Бугристый тор - Bumpy torus

Чертеж неровной тороидальной установки

В ухабистый тор это класс энергия магнитного синтеза устройства, которые состоят из серии магнитные зеркала соединены встык, образуя замкнутый тор. Такое устройство само по себе нестабильно, и в большинстве неровных конструкций торов используются вторичные поля или релятивистские электроны для создания стабильного поля внутри реактора.

Основным недостатком классической конструкции магнитного зеркала является чрезмерное просачивание плазмы через два конца. Бугристый тор решает эту проблему, соединяя вместе несколько зеркал, чтобы топливо, вытекающее из одного зеркала, попадало в другое. Он описывается как «неровный», потому что ионы топлива, составляющие плазму, имеют тенденцию концентрироваться внутри зеркал с большей плотностью, чем токи утечки между зеркальными ячейками.

Конструкции неровных торов были областью активных исследований, начиная с 1960-х годов и продолжавшейся до 1986 года. ELMO (ELэктро Mагнетический Оrbit) Бугристый тор на Национальная лаборатория Окриджа.[1] Один, в частности, был описан: «Представьте себе серию магнитных зеркальных машин, установленных встык и скрученных в тор. Ион или электрон, выходящий из одного зеркального резонатора, оказывается в другой зеркальной ячейке. Это представляет собой неровный тор. . "[2] Эти выявленные проблемы, и большая часть исследований концепции завершена.

Фон

Простые зеркала

В магнитное зеркало один из самых простых энергия магнитного синтеза машины по физической сложности. Он состоит в основном из цилиндра с мощными магнитами на каждом конце, хотя на практике цилиндр снабжен менее мощными магнитами для лучшего формирования поля. Получающееся в результате магнитное поле имеет форму, примерно напоминающую внешнюю сторону сигары, широкую в центре цилиндра и сужающуюся с обоих концов.

Плазма состоит из газа заряженных частиц, электроны и ядра (ионы) используемого термоядерного топлива. В присутствии магнитного поля заряженные частицы вращаются вокруг силовых линий. Они также переносят любой импульс, который они имели по силовой линии, поэтому на практике результирующее движение представляет собой спираль с центром на магнитной линии.

Зеркало работает за счет того, что это движение «задерживается» на обоих концах цилиндра. Когда ионы приближаются к концам, другие магнитные линии сходятся в том же месте, создавая возрастающее поле. При правильном наборе условий ион обратит свое движение, по существу отскакивая от увеличивающегося поля, отсюда и название «зеркало». В течение макроскопического времени отдельные ионы отскакивают назад и вперед между двумя зеркальными катушками, оставаясь ограниченными внутри устройства.

При любом заданном расположении поля всегда остаются некоторые силовые линии, которые не искривляются по мере приближения к концам, в первую очередь, линии, идущие по центру зеркала. Ионы, окружающие эти линии, могут улетучиваться. Кроме того, при любой магнитной силе всегда есть частицы, у которых будет достаточно энергии, чтобы они не отразились, и эти две частицы улетят. Расчеты показали, что скорость утечки будет достаточно низкой, чтобы обеспечить длительную работу реактора.

Минимум B

Основная статья: нестабильность обмена

В самом начале программы управляемого термоядерного синтеза было указано, что такое устройство имеет естественную нестабильность в расположении магнитного поля. В любой области, где есть выпуклость поля, у ионов есть естественная тенденция стремиться выйти за пределы своей первоначальной траектории при столкновении. В результате этого движения они выходят наружу через зону удержания. Когда достаточное количество ионов делает это в какой-либо конкретной области, их электрический заряд изменяет магнитное поле таким образом, чтобы еще больше увеличить кривизну, вызывая эффект убегания, который приводит к выбросу плазмы из области удержания. Эта проблема стала известна как нестабильность обмена и было обнаружено, что он является эндемичным для всех зеркал конца 1950-х годов.

Неустойчивость взаимообмена была вызвана выпуклыми областями магнитных полей, и британские исследователи быстро показали, что верно и обратное: в вогнутом поле, когда плазма находится «внутри» вогнутости, будет естественно стабильная . Это стало известно как «минимальная конфигурация B». На самом деле создать такое устройство поля, которое не пропускало бы топливо по другим причинам, сложно, но к середине 1960-х годов появилось несколько многообещающих конструкций, в частности, конфигурация «теннисный мяч» или «бейсбол», а затем концепция инь-ян. Все они имели недостаток, заключающийся в том, что они были намного более сложными, а также большими для любого заданного объема плазмы, что негативно сказывалось на ценовых характеристиках конструкции.

Бугристый тор

Бугристый тор - это попытка решить проблемы зеркала, связанные как с взаимозаменяемой нестабильностью, так и с его естественной утечкой с торцов.

Для контроля утечки несколько зеркал были соединены между собой встык. Само по себе это не уменьшило утечку, вместо этого это означало, что частицы просачивались в другое зеркало. На первый взгляд это может показаться очевидным, но проблема этого подхода состоит в том, что результирующее магнитное поле больше не является линейным вдоль оси, а изогнуто, что увеличивает скорость взаимозаменяемой нестабильности. Однако, когда рассматривается машина в целом, а не исследуется отдельная зеркальная ячейка, все поле может быть организовано как чистая конфигурация с минимумом B.[3]

К сожалению, результирующее поле неровного тора подвержено другой проблеме: резистивный баллонный режим. Команда ELMO на Национальная лаборатория Окриджа предложил управлять этим путем инжекции высокоэнергетических («горячих») электронов в пространство между внешней стороной ограничивающего поля зеркала и внешней стороной самого реактора. Эти электроны будут создавать второе магнитное поле, которое отталкивает естественное поле зеркала от стенок реактора и изменяет поле в целом, чтобы уменьшить баллонную моду.[3]

ELMO

Первый образец неровной конструкции тора был построен как ELMO на Национальная лаборатория Окриджа в 1972 г.[4] Сначала проект демонстрировал многообещающие результаты, но по мере добавления новых диагностических систем стало ясно, что система не работает так, как было задумано. В частности, концепция электронной оболочки была далеко не такой действенной, как предсказывалось, и, что усугубляло проблемы, микроволновая печь Система отопления оказалась намного более эффективной, чем ожидалось.[3]

Подобная система была встроена в Нагоя, где прямое измерение магнитного поля показало, что только несколько процентов поля, создаваемого электронами, достигали внутренней части области удержания, чего было недостаточно для компенсации нестабильности. В 1988 году обзор всей области показал, что удержание электронов просто не создает необходимых условий, и дальнейший интерес к этой концепции закончился.[3]

Рекомендации

Цитаты

  1. ^ Укан, Дандл, Хендрик, Беттис, Лидски, Макалис, Санторо, Уоттс, Ага. "РЕАКТОР ELMO BUMPY TORUS (EBT)". Osti Dot Gov. Национальная лаборатория Окриджа. Получено 1 июня, 2017.CS1 maint: несколько имен: список авторов (связь)
  2. ^ Коббл, Джим. "Эксперимент ELMO Bumpy Torus, управляемая микроволновая печь, установившаяся термоядерная машина в ORNL" (PDF). iccworkshops dot org. Лос-Аламосская национальная лаборатория, 18 августа 2011 г.. Получено 1 июня, 2017.
  3. ^ а б c d Braams & Stott 2002, п. 121.
  4. ^ Группа 1985, п. 1271.

Библиография

  • Group, EBT (сентябрь 1985 г.). "Программа ELMO Bumpy Torus". Термоядерная реакция. 25 (9): 1271–1274. Дои:10.1088/0029-5515/25/9/046.CS1 maint: ref = harv (связь)
  • Braams, C.M .; Стотт, П. (2002). Ядерный синтез: полвека исследований термоядерного синтеза с магнитным удержанием. CRC Press.CS1 maint: ref = harv (связь)