Sfæromak - Spheromak

En spheromak er et arrangement av plasma dannet til en toroidal form som ligner på en røyk ring . Sfæromak inneholder store interne elektriske strømmer og deres tilknyttede magnetfelt arrangert slik at magnetohydrodynamiske krefter i sfæromak er nesten balanserte, noe som resulterer i langvarige ( mikrosekund ) inneslutningstid uten eksterne felt. Sfæromakker tilhører en type plasmakonfigurasjon som kalles kompakte toroider .

Sfæromakens fysikk og kollisjoner mellom sfæromakker ligner en rekke astrofysiske hendelser, som koronale løkker og filamenter , relativistiske stråler og plasmoider . De er spesielt nyttige for å studere magnetiske tilkoblingshendelser når to eller flere sfæromakker kolliderer. Spheromaks er lett å lage ved anvendelse av et "våpen" som ut spheromaks av enden av en elektrode inn i et holdeområde, kalt den fluks bespareren. Dette har gjort dem nyttige i laboratorieinnstillinger, og sfæromakksvåpen er relativt vanlige i astrofysikklaboratorier . Disse enhetene blir ofte, forvirrende, også referert til som "sfæromer"; begrepet har to betydninger.

Sfæromakker har blitt foreslått som et magnetisk fusjonsenergikonsept på grunn av deres lange inneslutningstid , som var i samme rekkefølge som de beste tokamakene da de ble studert. Selv om de hadde noen suksesser i løpet av 1970- og 80-tallet, hadde disse små og lavere energienhetene begrenset ytelse, og de fleste sfæromak-undersøkelser ble avsluttet da fusjonsfinansiering ble dramatisk begrenset på slutten av 1980-tallet. På slutten av 1990-tallet viste imidlertid forskning at varmere sfæromakker har bedre inneslutningstider, og dette førte til en ny bølge av sfæromaksmaskiner. Sfæromakker har også blitt brukt til å injisere plasma i et større magnetisk inneslutningseksperiment som en tokamak .

Forskjell med FRC

Forskjellen mellom en feltomvendt konfigurasjon og en sfæromak

Forskjellen mellom en feltomvendt konfigurasjon (FRC) og en sfæromak er at en sfæromak har et indre toroidefelt mens FRC-plasmaet ikke har det. Dette feltet kan kjøre med eller mot urviseren til den roterende plasmeretningen.

Historie

Sfæromak har gjennomgått flere forskjellige perioder med etterforskning, med den største innsatsen i løpet av 1980-tallet, og en reemergence på 2000-tallet.

Bakgrunnsarbeid innen astrofysikk

Et nøkkelbegrep i forståelsen av sfæromak er magnetisk helisitet , en verdi som beskriver "vridning" av magnetfeltet i et plasma.

Det tidligste arbeidet med disse konseptene ble utviklet av Hannes Alfvén i 1943, som ga ham Nobelprisen i fysikk i 1970 . Hans utvikling av Alfvén-bølgene forklarte den langvarige dynamikken i plasma ettersom elektriske strømmer som reiste i dem, produserte magnetfelt som, på en måte som ligner på en dynamo , ga nye strømmer. I 1950 studerte Lundquist eksperimentelt Alfvén-bølger i kvikksølv og introduserte det karakteriserende Lundquist-nummeret , som beskriver plasmas ledningsevne. I 1958 bemerket Lodewijk Woltjer , som arbeider med astrofysiske plasmaer, at det er bevart, noe som innebærer at et vrient felt vil forsøke å opprettholde dets vrienhet selv med eksterne krefter som blir påført det.

Fra 1959 bygde Alfvén og et team inkludert Lindberg, Mitlid og Jacobsen en enhet for å lage baller av plasma for studier. Denne enheten var identisk med moderne "koaksialinjektor" -enheter (se nedenfor), og eksperimentene ble overrasket over å finne en rekke interessante oppførsler. Blant disse var etableringen av stabile ringer av plasma. Til tross for de mange suksessene, vendte forskerne seg til andre områder i 1964, og injektorkonseptet sov i to tiår.

Bakgrunnsarbeid i fusjon

I 1951 startet arbeidet med å produsere kontrollert fusjon for kraftproduksjon. Disse eksperimentene brukte vanligvis en slags pulserende kraft for å levere de store magnetiske kreftene som kreves i eksperimentene. Den nåværende størrelsen og de resulterende kreftene var uten sidestykke. I 1957 rapporterte Harold Furth , Levine og Waniek om dynamikken til store magneter, og demonstrerte at den begrensende faktoren i magnetytelse var fysisk; spenninger i magneten ville overvinne sine egne mekaniske grenser. De foreslo å vikle disse magnettene på en slik måte at kreftene i magnetviklingene avbrøt, den "kraftfrie tilstanden". Selv om det ikke var kjent den gangen, er dette det samme magnetfeltet som i en sfæromak.

I 1957 startet ZETA- maskinen (fusjonsreaktor) i Storbritannia. ZETA var på den tiden den klart største og kraftigste fusjonsenheten i verden. Den fungerte til 1968, da mange enheter samsvarte med størrelsen. I løpet av operasjonen la eksperimentelteamet merke til at plasmaen noen ganger ville opprettholde inneslutning lenge etter at forsøksløpet tilsynelatende var avsluttet, selv om dette ikke ble studert i dybden. Flere år senere i 1974 karakteriserte John Bryan Taylor disse selvstabile plasmene, som han kalte "stille". Han utviklet Taylor-tilstandsvektskonseptet , en plasmatilstand som bevarer helisitet i lavest mulig energitilstand. Dette førte til en gjenoppvåkning av kompakt toroideforskning .

En annen tilnærming til fusjon var theta-klype- konseptet, som lignet z-klemmen som ble brukt i ZETA i teorien, men brukte en annen oppstilling av strømmer og felt. Mens de jobbet på en slik maskin tidlig på 1960-tallet, en designet med et konisk klypeområde, fant Bostick og Wells at maskinen noen ganger skapte stabile ringer av plasma. En serie maskiner for å studere fenomenet fulgte. En magnetisk sondemåling fant den magnetiske magnetfeltprofilen til en sfæromak; det toroidefeltet var null på aksen, steg til et maksimum på et indre punkt, og gikk deretter til null ved veggen. Imidlertid klarte ikke theta-klemmen å oppnå de høye energiforholdene som trengs for fusjon, og mest arbeid med theta-pinch var avsluttet på 1970-tallet.

Gullalderen

Nøkkelkonseptet i fusjon er energibalansen for enhver maskin som smelter sammen et varmt plasma.

Netto kraft = Effektivitet * (Fusjon - Strålingstap - Ledningstap)

Dette danner grunnlaget for Lawson-kriteriet . For å øke fusjonshastighetene, har forskning fokusert på "trippelproduktet" en kombinasjon av plasmatemperatur, tetthet og inneslutningstid. Fusjonsenheter falt vanligvis i to klasser, pulserende maskiner som z-klemme som forsøkte å nå høye tettheter og temperaturer, men bare i mikrosekunder, mens konsistenser i steady state som stellator og magnetisk speil forsøkte å nå Lawson-kriteriet gjennom lengre inneslutningstider.

Taylors arbeid foreslo at selvstabile plasmaer ville være en enkel måte å nærme seg problemet langs inneslutningsaksen. Dette utløste en ny runde med teoretisk utvikling. I 1979 publiserte Rosenbluth og Bussac en artikkel som beskrev generaliseringer av Taylors arbeid, inkludert en sfærisk minimumsenergitilstand med null toroidefelt på den begrensende overflaten. Dette betyr at det ikke er noen ekstern drevet strøm på enhetens akse, og det er derfor ingen eksterne toroidefelt spoler. Det så ut som at denne tilnærmingen ville tillate fusjonsreaktorer med veldig enklere design enn den dominerende stellarator- og tokamak- tilnærmingen.

Flere eksperimentelle enheter dukket opp nesten over natten. Wells anerkjente sine tidligere eksperimenter som eksempler på disse plasmene. Han hadde flyttet til University of Miami og begynte å samle inn midler til en enhet som kombinerte to av hans tidligere koniske theta-pinch-systemer, som ble Trisops . I Japan bygde Nihon University PS-1, som brukte en kombinasjon av teta- og zeta-klyper for å produsere sfæromakker. Harold Furth var begeistret over utsiktene til en billigere løsning på inneslutningsproblemet, og startet S1 på Princeton Plasma Physics Laboratory , som brukte induktiv oppvarming. Mange av disse tidlige eksperimentene ble oppsummert av Furth i 1983.

Disse tidlige MFE-eksperimentene kulminerte i Compact Torus Experiment (CTX) i Los Alamos . Dette var denne tidens største og kraftigste enhet, og genererte sfæromakker med overflatestrømmer på 1 MA, temperaturer på 100 eV og toppelektronbeta over 20%. CTX eksperimenterte med metoder for å gjeninnføre energi i den fullformede sfæromak for å motvirke tap på overflaten. Til tross for disse tidlige suksessene hadde tokamak på slutten av 1980-tallet overgått sfæromakens inneslutningstider med størrelsesorden. For eksempel oppnådde JET inneslutningstider i størrelsesorden 1 sekund.

Den store begivenheten som avsluttet det meste sfæromak-arbeidet, var ikke teknisk; finansieringen av hele det amerikanske fusjonsprogrammet ble dramatisk begrenset i FY86, og mange av de "alternative tilnærmingene", som inkluderte sfæromakker, ble avblåst. Eksisterende eksperimenter i USA fortsatte til finansieringen gikk tom, mens mindre programmer andre steder, særlig i Japan og den nye SPHEX-maskinen i Storbritannia, fortsatte fra 1979–1997. CTX fikk ekstra midler fra Forsvarsdepartementet og fortsatte eksperimenter til 1990; siste gang forbedret temperaturen til 400 eV, og inneslutningstider i størrelsesorden 3 ms.

Astrofysikk

Gjennom det tidlige 1990-tallet ble sfæromak-arbeid mye brukt av astrofysikarsamfunnet for å forklare forskjellige hendelser, og sfæromak ble studert som et tillegg til eksisterende MFE-enheter.

DM Rust og A. Kumar var spesielt aktive i å bruke magnetisk helisitet og avslapning for å studere solens fremtredende. Tilsvarende arbeid ble utført på Caltech av Bellan og Hansen på Caltech , og Swarthmore Spheromak Experiment (SSX) -prosjektet ved Swarthmore College .

Fusion tilbehør

Noe MFE-arbeid fortsatte gjennom denne perioden, nesten ved bruk av sfæromakker som tilbehør til andre reaktorer. Caltech og INRS-EMT i Canada brukte begge akselererte sfæromakker som en måte å fylle drivstoff på tokamaks. Andre studerte bruken av sfæromakker for å injisere helisitet i tokamakker, noe som til slutt førte til Helicity Injected Spherical Torus (HIST) -enhet og lignende konsepter for en rekke eksisterende enheter.

Forsvar

Hammer, Hartman et al. viste at sfæromakker kunne akselereres til ekstremt høye hastigheter ved hjelp av en jernkanon , noe som førte til flere foreslåtte bruksområder. Blant disse var bruken av slike plasmaer som "kuler" for å skyte mot innkommende stridshoder i håp om at de tilhørende elektriske strømmer ville forstyrre elektronikken deres. Dette førte til eksperimenter Shiva Star- systemet, selv om disse ble kansellert på midten av 1990-tallet.

Andre domener

Andre foreslåtte bruksområder inkluderer å skyte sfæromakker mot metallmål for å generere intense røntgenblink som bakgrunnsbelysningskilde for andre eksperimenter. På slutten av 1990-tallet ble sfæromak-konsepter brukt mot studiet av grunnleggende plasmafysikk, særlig magnetisk tilkobling . Maskiner med dobbeltsfæromak ble bygget ved University of Tokyo , Princeton (MRX) og Swarthmore College .

Gjenfødelse

I 1994 oppsummerte T. Kenneth Fowler resultatene fra CTXs eksperimentelle løp på 1980-tallet da han la merke til at inneslutningstiden var proporsjonal med plasmatemperaturen. Dette var uventet; den ideelle gassloven sier generelt at høyere temperaturer i et gitt inneslutningsområde fører til høyere tetthet og trykk. I konvensjonelle innretninger som tokamak øker denne økte temperaturen / trykket turbulensen som reduserer inneslutningstiden dramatisk . Hvis sfæromak forbedret inneslutning med økt temperatur, foreslo dette en ny vei mot en sfæromakreaktor på tenningsnivå.

Løftet var så stort at flere nye MFE-eksperimenter begynte å studere disse problemene. Bemerkelsesverdig blant disse er Sustained Spheromak Physics Experiment (SSPX) ved Lawrence Livermore National Laboratory , som studerte problemene med å generere sfæromakker med lang levetid gjennom elektrostatisk injeksjon av ekstra helisitet. Også bemerket er det jevne induktive helicitetsinjiserte toruseksperimentet (HIT-SI) ved University of Washington ledet av professor Thomas Jarboe. Suksessen med å opprettholde sfæromakker med bevis for trykkinnesperring på dette eksperimentet motiverte etableringen av et nytt sfæromakbasert fusjonsreaktorkonsept kalt Dynomak, som er anslått å være konkurransedyktig med konvensjonelle kraftkilder.

Teori

Kraftfrie plasmavirvler har jevn magnetisk helisitet og er derfor stabile mot mange forstyrrelser. Vanligvis forfaller strømmen raskere i de kaldere områdene til gradienten i helisitet er stor nok til å tillate en turbulent omfordeling av strømmen.

Tvingningsfrie virvler følger følgende ligninger.

Den første ligningen beskriver en Lorentz kraftfri væske: kreftene er overalt null. For et laboratorieplasma er α konstant og β er en skalarfunksjon av romlige koordinater.

Legg merke til at, i motsetning til de fleste plasma strukturer, den Lorentz kraft og Magnus kraft , spille tilsvarende roller. er massetettheten.

Spheromak magnetiske flussflater er toroidale. Strømmen er helt toroidal i kjernen og helt poloidal på overflaten. Dette ligner feltkonfigurasjonen til en tokamak , bortsett fra at feltproduserende spoler er enklere og ikke trenger inn i plasma torus.

Sfæromakker er utsatt for eksterne krefter, spesielt den termiske gradienten mellom det varme plasmaet og dets kjøligere omgivelser. Generelt fører dette til et tap av energi på den ytre overflaten av sfæromen, selv om den svarte kroppen stråler , noe som fører til en termisk gradient i selve spheromaken. Elektrisk strøm går langsommere i de kjøligere delene, noe som til slutt fører til en omfordeling av energi inni, og turbulens ødelegger til slutt sfæromak.

Dannelse

Sfæromakker dannes naturlig under en rekke forhold, slik at de kan genereres på en rekke måter.

Den vanligste moderne enheten er Marshall-pistolen eller injektoren. Enheten består av to nestede, lukkede sylindere. Den indre sylinderen er kortere og etterlater et tomt rom i bunnen. En elektromagnet inne i den indre sylinderen setter opp et innledende felt. Feltet ligner på en stangmagnet , som løper vertikalt ned midt på den indre sylinderen og opp på utsiden av apparatet. Magneten er plassert slik at området der feltet løkker over fra sentrum til utsiden, der feltlinjene er omtrent horisontale, er justert med bunnen av den indre sylinderen.

En liten mengde gass føres inn i området mellom sylindrene. En stor elektrisk ladning levert av en kondensatorbank påført over sylindrene ioniserer gassen. Strømmer indusert i det resulterende plasmaet samhandler med det opprinnelige magnetfeltet, og genererer en Lorentz-kraft som skyver plasmaet bort fra den indre sylinderen, inn i det tomme området. Etter en kort periode stabiliseres plasmaet til en sfæromak.

Andre vanlige enheter inkluderer åpen eller konisk theta-klype.

Siden sfæromakens magnetiske inneslutning er selvgenerert, kreves ingen eksterne magnetspoler. Imidlertid opplever sfæromak den "vippende forstyrrelsen" som gjør at den kan rotere innenfor inneslutningsområdet. Dette kan adresseres med eksterne magneter, men oftere er inneslutningsområdet innpakket i en (typisk kobber) leder. Når kanten av sfæromak torus nærmer seg den ledende overflaten, induseres en strøm i den som, i henhold til Lenzs lov , reagerer for å presse sfæromak tilbake i sentrum av kammeret.

Det er også mulig å få den samme effekten med en enkelt leder som løper nedover midten av kammeret, gjennom "hullet" i midten av sfæromak. Ettersom denne lederens strømmer er selvgenererte, tilfører den designen liten kompleksitet. Imidlertid kan stabiliteten forbedres ytterligere ved å kjøre en ekstern strøm i sentrallederen. Når strømmen skaleres opp, nærmer den seg forholdene til en tradisjonell tokamak, men i en mye mindre størrelse og enklere form. Denne utviklingen førte til betydelig forskning på den sfæriske tokamak i løpet av 1990-tallet.

Se også

Referanser

Merknader

Bibliografi

Eksterne linker