Magnetisk speil - Magnetic mirror
En magnetiske speil , kjent som en magnetisk felle (магнитный захват) i Russland og kort som et pyrotron i USA, er en type magnetiske oppdemningsapparat innretning som brukes i fusjons kraft for å felle høytemperatur plasma ved hjelp av magnetiske felter . Speilet var en av de tidligste store tilnærmingene til fusjonskraft, sammen med stellaratoren og z-pinch- maskinene.
I et klassisk magnetisk speil brukes en konfigurasjon av elektromagneter for å lage et område med en økende tetthet av magnetfeltlinjer i hver ende av innesperringsområdet. Partikler som nærmer seg endene opplever en økende kraft som til slutt får dem til å snu retningen og gå tilbake til innesperringsområdet. Denne speileffekten vil bare forekomme for partikler innenfor et begrenset område av hastigheter og tilnærmingsvinkler, de utenfor grensene vil slippe unna, noe som gjør speil iboende "utette".
En analyse av tidlige fusjonsenheter av Edward Teller påpekte at det grunnleggende speilkonseptet iboende er ustabilt. I 1960 introduserte sovjetiske forskere en ny "minimum-B" -konfigurasjon for å løse dette, som deretter ble endret av britiske forskere til "baseball coil" og av USA til "yin-yang magnet" -oppsett. Hver av disse introduksjonene førte til ytterligere økninger i ytelsen, dempet ut forskjellige ustabilitet, men krevde stadig større magnetsystemer. Den tandem speil konsept, utviklet i USA og Russland på omtrent samme tid, tilbød en måte å gjøre energipositive maskiner uten å kreve enorme magneter og strøminngang.
På slutten av 1970 -tallet ble mange av designproblemene ansett som løst, og Lawrence Livermore Laboratory begynte designet av Mirror Fusion Test Facility (MFTF) basert på disse konseptene. Maskinen sto ferdig i 1986, men på dette tidspunktet avslørte eksperimenter på det mindre Tandem Mirror Experiment nye problemer. I en runde med budsjettkutt ble MFTF slått ned og til slutt skrotet. Et fusjonsreaktorkonsept kalt Bumpy torus brukte en serie magnetiske speil som var forbundet i en ring. Det ble undersøkt ved Oak Ridge National Laboratory til 1986. Speiletilnærmingen har siden sett mindre utvikling, til fordel for tokamak , men speilforskning fortsetter i dag i land som Japan og Russland.
Historie
Tidlig arbeid
Konseptet med magnetisk speil plasmainnesperring ble foreslått på begynnelsen av 1950-tallet uavhengig av Gersh Budker ved Kurchatov Institute , Russland og Richard F. Post ved Lawrence Livermore National Laboratory i USA.
Med dannelsen av Project Sherwood i 1951 begynte Post utviklingen av en liten enhet for å teste speilkonfigurasjonen. Dette besto av et lineært pyrexrør med magneter rundt utsiden. Magnetene var arrangert i to sett, ett sett med små magneter fordelt jevnt langs rørets lengde, og et annet par mye større magneter i hver ende. I 1952 kunne de demonstrere at plasma inne i røret var begrenset i mye lengre tid da speilmagneter på slutten ble slått på. På den tiden omtalte han denne enheten som "pyrotronen", men dette navnet fanget ikke opp.
Ustabilitet
I et nå berømt foredrag om fusjon i 1954 bemerket Edward Teller at enhver enhet med konvekse magnetfeltlinjer sannsynligvis ville være ustabil, et problem i dag kjent som fløyteinstabilitet . Speilet har nettopp en slik konfigurasjon; magnetfeltet var svært konveks i endene der feltstyrken økte. Dette førte til alvorlig bekymring fra Post, men i løpet av det neste året kunne teamet hans ikke finne tegn til disse problemene. I oktober 1955 gikk han så langt som til å uttale at "det nå blir klart at for speilmaskinen i det minste gjelder ikke disse beregningene i detalj."
I Russland ble det første småspeilet ("probkotron") bygget i 1959 ved Budker Institute of Nuclear Physics i Novosibirsk , Russland. De så umiddelbart problemet Teller hadde advart om. Dette førte til noe av et mysterium, ettersom de amerikanske lagene under Post fortsatt manglet bevis på slike problemer. I 1960 publiserte Post og Marshall Rosenbluth en rapport "som ga bevis for eksistensen av et stabilt begrenset plasma ... hvor den enkleste hydromagnetiske teorien forutsier ustabilitet."
På et møte om plasmafysikk i Saltzberg i 1961 presenterte den sovjetiske delegasjonen betydelige data som viste ustabiliteten, mens de amerikanske teamene fortsatte å vise ingen. Et forhåndsspørsmål av Lev Artsimovich avgjorde saken; da han spurte om diagrammene som ble produsert fra instrumentene i de amerikanske maskinene ble justert for en velkjent forsinkelse i produksjonen av detektorene som ble brukt, ble det plutselig klart at den tilsynelatende 1 ms stabiliteten faktisk var 1 ms forsinkelse i målingene. Post ble tvunget til å konkludere "vi har nå ikke et eneste eksperimentelt faktum som indikerer lang og stabil inneslutning av plasma med varme ioner innenfor en enkel magnetisk speilgeometri."
Nye geometrier
Spørsmålet om de potensielle ustabilitetene hadde vært vurdert i feltet en stund, og en rekke mulige løsninger hadde blitt introdusert. Disse fungerte vanligvis ved å endre formen på magnetfeltet, så det var konkavt overalt, den såkalte "minimum-B" -konfigurasjonen.
På det samme møtet i 1961 introduserte Mikhail Ioffe data fra et minimum-B-eksperiment. Designet hans brukte en serie med seks ekstra strømførende stenger i det indre av et ellers typisk speil for å bøye plasmaet i form av et vridd sløyfe for å produsere en minimum-B-konfigurasjon. De demonstrerte at dette forbedret innesperringstiden kraftig til størrelsen på millisekunder. I dag er dette arrangementet kjent som "Ioffe -barer".
En gruppe ved Culham Center for Fusion Energy bemerket at Ioffes arrangement kunne forbedres ved å kombinere de originale ringene og stengene til et enkelt nytt arrangement som ligner sømmen på en tennisball. Dette konseptet ble hentet i USA hvor det ble omdøpt etter sømmen på en baseball. Disse "baseballspolene" hadde den store fordelen at de lot reaktorens indre volum stå åpent, noe som gir enkel tilgang til diagnostiske instrumenter. På den negative siden var størrelsen på magneten i forhold til volumet av plasma upraktisk og krevde svært kraftige magneter. Post introduserte senere en ytterligere forbedring, "yin-yang coils", som brukte to C-formede magneter for å produsere samme feltkonfigurasjon, men i et mindre volum.
I USA var det store endringer i fusjonsprogrammet på gang. Robert Hirsch og hans assistent Stephen O. Dean var begeistret over det enorme fremskrittet i ytelsen som ble sett i de sovjetiske tokamakene , noe som antydet at kraftproduksjon nå var en reell mulighet. Hirsch begynte å endre programmet fra et han hånet som en rekke ukoordinerte vitenskapseksperimenter til en planlagt innsats for å til slutt nå breakeven . Som en del av denne endringen begynte han å kreve at dagens systemer viser reell fremgang, eller at de ville bli kansellert. Den humpete torus , levitron og Astron ble alle forlatt, ikke uten kamp.
Dean møtte Livermores team og gjorde det klart at Astron sannsynligvis ville bli kuttet, og speil måtte også forbedres eller ansiktsskjæring, noe som ville ha forlatt laboratoriet uten større fusjonsprosjekter. I desember 1972 møtte Dean speilet og stilte en rekke krav; systemene deres må demonstrere en nT -verdi på 10 12 , sammenlignet med det nåværende beste tallet på 2XII på 8x10 9 . Etter stor bekymring fra forskerne om at dette ville være umulig, gikk Dean tilbake til 10 11 som ble demonstrert i slutten av 1975.
DCLC
Selv om 2XII ikke var i nærheten av nivået som Dean krav krever, var det likevel ekstremt vellykket med å demonstrere at yin-yang-arrangementet var gjennomførbart og undertrykte de store ustabilitetene som ble sett i tidligere speil. Men ettersom eksperimentene fortsatte gjennom 1973, ble resultatene ikke bedre som forventet. Det dukket opp planer om å brute-force ytelsen gjennom tillegg av nøytralstråleinjeksjon for raskt å øke temperaturen i et forsøk på å nå Deans forhold. Resultatet ble 2XIIB, B for "bjelker".
Mens 2XIIB ble satt opp, mottok Fowler i november 1974 et brev fra Ioffe som inneholdt en serie fotografier av oscilloskopspor uten noen annen forklaring. Fowler innså at de demonstrerte at injeksjon av varmt plasma under løpet forbedret innesperringen. Dette så ut til å skyldes en lenge forventet av så langt usett ustabilitet kjent som "drift-cyclotron loss-cone", eller DCLC. Ioffes fotografier demonstrerte at DCLC ble sett i sovjetiske reaktorer og at varmt plasma så ut til å stabilisere det.
2XIIB reaktor startet reelle eksperimenter i 1975, og signifikant DCLC ble umiddelbart sett. Irriterende ble effekten sterkere da de forbedret driftsforholdene med bedre vakuum og rengjøring av interiøret. Fowler innså at forestillingen var identisk med Ioffes fotografier, og 2XIIB ble modifisert for å injisere varmt plasma i løpet av løpet. Da resultatene ble sett, ble de beskrevet som "sollys brøt gjennom skyene og det var en sjanse for at alt ville være i orden."
Q-forbedring og tandemspeil
I juli 1975 presenterte 2XIIB -teamet resultatene for nT på 7x10 10 , en størrelsesorden bedre enn 2XII og nær nok til Deans krav. På dette tidspunktet hadde Princeton Large Torus kommet på nettet og satte rekord etter rekord, noe som fikk Hirsch til å begynne å planlegge enda større maskiner tidlig på 1980 -tallet med det eksplisitte målet om å treffe breakeven , eller Q = 1. Dette ble kjent som Tokamak Fusion Test Reactor (TFTR), hvis mål var å kjøre på deuterium - tritiumdrivstoff og nå Q = 1, mens fremtidige maskiner ville være Q > 10.
Med de siste resultatene på 2XIIB, så det ut til at et større yin-yang-design også ville forbedre ytelsen. Beregninger viste imidlertid at den bare ville nå Q = 0,03. Selv de mest utviklede versjonene av grunnkonseptet, med lekkasje ved den absolutte nedre grensen som teorien tillater, kunne bare nå Q = 1.2. Dette gjorde disse designene stort sett ubrukelige for kraftproduksjon, og Hirsch krevde at dette ble forbedret hvis programmet skulle fortsette. Dette problemet ble kjent som "Q-enhancement".
I mars 1976 bestemte Livermore-teamet seg for å organisere en arbeidsgruppe om temaet Q-enhancement på det internasjonale fusjonsmøtet i oktober 1976 i Tyskland. I helgen 4. juli kom Fowler og Post på ideen om tandemspeilet, et system bestående av to speil i hver ende av et stort kammer som inneholdt store mengder fusjonsdrivstoff ved lavere magnetisk trykk. De kom tilbake til LLNL mandag for å finne ut at ideen hadde blitt utviklet uavhengig av en personalfysiker, Grant Logan. De brakte videreutviklede versjoner av disse ideene til Tyskland for å finne en sovjetisk forsker som foreslo nøyaktig den samme løsningen.
Da de kom tilbake fra møtet, møtte Dean teamet og bestemte seg for å stenge Baseball II -systemet og lede finansieringen til et tandemspeilprosjekt. Dette dukket opp som Tandem Mirror Experiment , eller TMX. Den endelige designen ble presentert og godkjent i januar 1977. Byggingen av det som den gang var det største eksperimentet på Livermore ble fullført i oktober 1978. I juli 1979 viste eksperimenter at TMX fungerte som forventet.
Termiske barrierer og MFTF
Selv før tandemspeilkonseptet dukket opp, var det som på dette tidspunktet var energidepartementet enige om å finansiere byggingen av et mye større speil kjent som Mirror Fusion Test Facility , eller MFTF. På den tiden var planen for MFTF å bare være den største yin-yang-magneten noen kunne finne ut hvordan de skulle bygge. Med suksessen med TMX-konseptet ble designet modifisert til å bli MFTF-B ved å bruke to av de største yin-yang-magneter noen kunne finne ut hvordan de skulle bygge i en enorm tandemkonfigurasjon. Målet var å møte Q = 5. Gjennom slutten av 1978 da lagene faktisk begynte å vurdere trinnene for å skalere TMX, ble det klart at det ganske enkelt ikke ville nå de nødvendige målene. I januar 1979 stoppet Fowler arbeidet og uttalte at det måtte finnes en forbedring.
Under eksperimenter med TMX ble det funnet til alles overraskelse at loven som Lyman Spitzer introduserte på 1950 -tallet ikke holdt; i TMX ble det funnet at elektronene på en hvilken som helst enkelt magnetisk linje hadde en rekke forskjellige hastigheter, noe som var helt uventet. Ytterligere arbeid av John Clauser viste at dette skyldtes den varme plasmainjeksjonen som ble brukt for å undertrykke DCLC. Logan tok disse resultatene og brukte dem til å komme opp med en helt ny måte å begrense plasmaet på; med et forsiktig arrangement av disse elektronene, kunne man produsere et område med et stort antall "kule" elektroner som ville tiltrekke seg de positivt ladede ionene. Dave Baldwin demonstrerte deretter at dette kunne forbedres gjennom de nøytrale bjelkene. Fowler omtalte resultatet som en "termisk barriere", ettersom det varmere drivstoffet ble frastøtt fra disse områdene. Det så ut til at den kunne opprettholde innesperring ved å bruke mye mindre energi enn det rene TMX -konseptet.
Dette resultatet antydet at MFTF ikke bare ville møte en vilkårlig Q = 5, men gjøre den til en ekte konkurrent til tokamaks, som lovet mye høyere Q -verdier. Fowler begynte designet med en annen versjon av MFTF, fremdeles kalt MFTF-B, basert på termisk barriere-konsept. laboratoriet bestemte seg for at de skulle begynne byggingen, og mangler noen eksperimentelle bevis på at konseptet fungerte, for å få ut en konkurransedyktig maskin omtrent samtidig med TFTR. Mens denne enorme maskinen ble bygget, ville TMX bli modifisert for å teste konseptet.
Januar 1980 presenterte Fowler og teamet sine resultater for DOE. For å demonstrere at TMX hadde fungert, og bevæpnet med tilleggsdata fra Sovjet så vel som datasimuleringer, presenterte de en plan for å begynne byggingen av en MFTF på 226 millioner dollar mens de oppgraderte TMX for å legge til termiske barrierer i TMX-U på 14 millioner dollar. Forslaget ble godtatt og byggingen av begge systemene begynte, med TMX som ble stengt i september 1980 for konvertering.
TMX-U mislykkes, MFTF er mothballed
TMX -U begynte eksperimenter i juli 1982, da deler av Boeing 747 -størrelse MFTF ble installert på bygning 431. Men da de forsøkte å øke plasmaets tetthet til verdier som ville være nødvendige for MFTF, fant de at plasma som rømte fra sentraltanken overveldet de termiske barrierer. Det var ingen åpenbar grunn til å tro at det samme ikke ville skje på MFTF. Hvis prisene i TMX-U var typiske, var det ingen måte at MFTF ville komme nær Q- målene sine.
Byggingen av MFTF, som allerede var budsjettert, fortsatte, og systemet ble erklært offisielt fullført 21. februar 1986 til en sluttpris på 372 millioner dollar. Mens han takket teamet for deres bidrag til å bygge systemet, kunngjorde også den nye direktøren for DOE, John Clarke, at det ikke ville være midler til å drive det. Clarke beklaget senere at beslutningen om å kansellere prosjektet var veldig vanskelig, "Det hadde vært så mye lettere hvis jeg hadde en teknisk feil å peke på."
Det satt ubrukt i flere år uten at sjansen for driftsfinansiering ville bli gitt. Det var det aldri, og maskinen ble til slutt skrotet i 1987. DOE kuttet også midler til de fleste andre speilprogrammer.
Etter 1986
Magnetisk speilforskning fortsatte i Russland, et moderne eksempel er Gas Dynamic Trap , en eksperimentell fusjonsmaskin som ble brukt ved Budker Institute of Nuclear Physics i Akademgorodok, Russland. Denne maskinen har oppnådd et 0,6 beta-forhold i 5E-3 sekunder, ved en lav temperatur på 1 KeV.
Konseptet hadde en rekke tekniske utfordringer, inkludert opprettholdelse av ikke-Maxwellian hastighetsfordeling. Dette betydde at i stedet for at mange høyenergioner traff hverandre, spredte ionenergien seg ut i en bjellekurve. Ionene ble deretter termisk og etterlot det meste av materialet for kaldt til å smelte sammen. Kollisjoner spredte også de ladede partiklene så mye at de ikke kunne holdes inne. Til slutt bidro hastighetsrommet ustabilitet til at plasma ble rømt .
Magnetiske speil spiller en viktig rolle i andre typer magnetiske fusjonsenheter , for eksempel tokamaks , der det toroidale magnetfeltet er sterkere på innenbordssiden enn på påhengsmotoren. De resulterende effektene er kjent som nyklassisistiske . Magnetiske speil forekommer også i naturen. Elektroner og ioner i magnetosfæren , for eksempel, vil hoppe frem og tilbake mellom de sterkere feltene ved polene, noe som fører til Van Allen -strålingsbeltene .
Matematisk avledning
Speileffekten kan vises matematisk. Anta adiabatisk invarians av magnetmomentet , dvs. at partikkels magnetiske moment og totale energi ikke endres. Adiabatisk invarians går tapt når en partikkel opptar et nullpunkt eller en sone uten magnetfelt. Det magnetiske øyeblikket kan uttrykkes som:
Det antas at μ vil forbli konstant mens partikkelen beveger seg inn i det tettere magnetfeltet. Matematisk må hastigheten vinkelrett på magnetfeltet også stige for at dette skal skje . I mellomtiden kan partikkelenes totale energi uttrykkes som:
I områder uten elektrisk felt, hvis den totale energien forblir konstant, må hastigheten parallelt med magnetfeltet synke. Hvis det kan gå negativt, er det en bevegelse som avviser partikkelen fra de tette feltene.
Speilforhold
Magnetiske speil selv har et speilforhold, dette uttrykkes matematisk som:
Samtidig har partikler i speilet en stigningsvinkel . Dette er vinkelen mellom partikkelenes hastighetsvektor og magnetfeltvektoren. Overraskende kan partiklene med den lille stigningsvinkelen unnslippe speilet. Disse partiklene sies å være i tapskeglen . De reflekterte partiklene oppfyller følgende kriterier:
Hvor er partikkelhastigheten vinkelrett på magnetfeltet og er partikkelhastigheten.
Dette resultatet var overraskende fordi det var forventet at tyngre og raskere partikler, eller de med mindre elektrisk ladning, ville være vanskeligere å reflektere. Det var også forventet at mindre magnetfelt ville reflektere færre partikler. Imidlertid er gyroradius også under disse omstendighetene større, slik at den radielle komponenten i magnetfeltet som partikkelen ser også er større. Det er sant at minimumsvolumet og magnetisk energi er større for raske partikler og svake felt, men det nødvendige speilforholdet forblir det samme.
Adiabatisk invarianse
Egenskapene til magnetiske speil kan avledes ved hjelp av adiabatisk invarianse av magnetisk fluks under endringer i magnetfeltstyrke. Etter hvert som feltet blir sterkere, øker hastigheten proporsjonalt med kvadratroten til B, og den kinetiske energien er proporsjonal med B. Dette kan betraktes som et effektivt potensial som binder partikkelen.
Magnetiske flasker
En magnetflaske er to magnetiske speil plassert tett inntil hverandre. For eksempel vil to parallelle spoler separert med en liten avstand, som bærer samme strøm i samme retning, produsere en magnetflaske mellom dem. I motsetning til hele speilmaskinen som vanligvis hadde mange store strømringer rundt midten av magnetfeltet, har flasken vanligvis bare to strømringer. Partikler nær hver ende av flasken opplever en magnetisk kraft mot sentrum av regionen; partikler med passende hastigheter spiraler gjentatte ganger fra den ene enden av regionen til den andre og tilbake. Magnetflasker kan brukes til midlertidig å fange ladede partikler. Det er lettere å fange elektroner enn ioner, fordi elektroner er så mye lettere Denne teknikken brukes til å begrense plasmaets høye energi i fusjonseksperimenter.
På lignende måte fanger Jordens ikke-ensartede magnetfelt ladede partikler som kommer fra solen i smultringformede områder rundt jorden, kalt Van Allen-strålingsbelter , som ble oppdaget i 1958 ved hjelp av data hentet fra instrumenter ombord på Explorer 1- satellitten.
Biconic cusps
Hvis en av polene i magnetflasken er reversert, blir det et bikonisk kniv , som også kan holde ladede partikler. Biconic cusps ble først studert av Harold Grad ved Courant Institute , studier avslører tilstedeværelsen av forskjellige typer partikler inne i et biconic cusp.
Se også
Merknader
Referanser
Sitater
Bibliografi
- Heppenheimer, Thomas (1984). The Man-made Sun: The Quest for Fusion Power . Liten, brun. ISBN 9780316357937.
- Bromberg, Joan Lisa (september 1982). Fusion: Vitenskap, politikk og oppfinnelsen av en ny energikilde . MIT Press. ISBN 9780262521062.
- Herman, Robin (2006). Fusion: The Search for Endless Energy . Cambridge University Press. ISBN 9780521024952.
- Booth, William (9. oktober 1987). "Fusion's Mothball på 372 millioner dollar" . Vitenskap . 238 (4824): 152–155. doi : 10.1126/science.238.4824.152 . PMID 17800453 .