Принстонская конфигурация с обращенным полем - Princeton field-reversed configuration

Один импульс вращающегося магнитного поля прибора PFRC-2 во время эксперимента

В Принстонская конфигурация с обращенным полем (PFRC) представляет собой серию экспериментов в физика плазмы, экспериментальная программа для оценки конфигурации для термоядерная энергия реактор, на Принстонская лаборатория физики плазмы (PPPL). Эксперимент исследует динамику длинноимпульсных бесстолкновительных[1] низкий s-параметр[2] конфигурации с обратной полярностью (FRC), образованные вращающимися магнитными полями с нечетной четностью.[3][4] Он направлен на экспериментальную проверку предсказаний физики о том, что такие конфигурации глобально устойчивы и имеют уровни переноса, сравнимые с классической магнитной диффузией.[2] Он также стремится применить эту технологию к Прямой привод Fusion Drive концепция движения космического корабля.[5]

История

PFRC изначально финансировалась Министерство энергетики США. В начале своей работы он был современником таких RMF-FRC, как Эксперимент по удержанию перевода (TCS) и Prairie View Rotamak (П.В. Ротамак).

В PPPL эксперимент PFRC-1 проводился с 2008 по 2011 год.[6] PFRC-2 работает с 2019 г.. Следующим запланирован PFRC-3. PFRC-4 запланирован на середину 2020-х годов.[6]

Вращающееся магнитное поле с нечетной четностью

Основная статья: Конфигурация с обратным полем § Формирование

Электрический ток, образующий конфигурация с обратным полем (FRC) в PFRC приводится в действие вращающимся магнитным полем (RMF). Этот метод хорошо изучен и дал положительные результаты в серии экспериментов на Ротамаке.[7] Однако вращающиеся магнитные поля, применяемые в этих и других экспериментах (так называемые RMF с четностью) вызывают размыкание силовых линий магнитного поля. Когда поперечное магнитное поле применяется к осесимметричному равновесному магнитному полю FRC, а не замыкающиеся на себя и образующие замкнутую область силовые линии магнитного поля, они закручиваются по спирали в азимутальном направлении и в конечном итоге пересекают поверхность сепаратрисы, которая содержит замкнутую область FRC.[3]

Один импульс вращающегося магнитного поля прибора PFRC-2 во время эксперимента в замедленном режиме

PFRC использует антенны RMF, которые создают магнитное поле, которое меняет направление относительно плоскости симметрии, ориентированной перпендикулярно оси, на полпути по длине оси машины. Эта конфигурация называется нечетная четность вращающееся магнитное поле. Такие магнитные поля, добавленные к осесимметричным равновесным магнитным полям, не вызывают размыкания силовых линий магнитного поля.[3] Таким образом, ожидается, что RMF не будет способствовать переносу частиц и энергии из ядра PFRC.

Низкий s-параметр

Основная статья: Конфигурация с обращенным полем § Орбиты одиночных частиц

В FRC имя s-параметр дается отношению расстояния между магнитным нулем и сепаратрисой и ларморовского радиуса теплового иона. Вот сколько ионных орбит может поместиться между ядром FRC и местом, где он встречается с основной плазмой.[2] FRC с высоким значением s будет иметь очень маленький ионный гирорадиус по сравнению с размером машины. Таким образом, при большом s-параметре модель магнитогидродинамика (MHD) применяется.[8] MHD предсказывает, что FRC нестабилен к «режиму наклона n = 1», в котором обратное поле наклоняется на 180 градусов для выравнивания с приложенным магнитным полем, разрушая FRC.

Прогнозируется, что FRC с низким s будет стабильным в режиме наклона.[8] Для этого эффекта достаточно s-параметра, меньшего или равного 2. Однако только два ионных радиуса между горячим ядром и холодным объемом означает, что в среднем только два периода рассеяния (изменение скорости в среднем на 90 градусов) достаточно для удаления горячего, связанного с термоядерным синтезом иона из ядра плазмы. Таким образом, выбор делается между ионами с высоким s-параметром, которые классически хорошо ограничен, но конвективно плохо удерживаемые ионы с низким s-параметром, которые классически плохо ограниченный, но конвективно хорошо ограничен.

PFRC имеет s-параметр от 1 до 2.[2] Прогнозируется, что стабилизация режима наклона будет способствовать удержанию больше, чем небольшое количество допустимых столкновений повредит удержанию.

Движение космического корабля

Ученые из Princeton Satellite Systems работают над новой концепцией под названием Прямой привод Fusion Drive (DFD), основанный на PFRC. Он будет производить электроэнергию и движение из одного компактного термоядерного реактора. Первое концептуальное исследование и моделирование (Фаза I) было опубликовано в 2017 г.[9] и был предложен для питания двигательной установки Плутон орбитальный аппарат и посадочный модуль.[9][10] Добавление ракетного топлива к потоку холодной плазмы приводит к изменяющейся тяге при пропускании через магнитное сопло. Моделирование предполагает, что DFD может произвести 5 Ньютоны тяги на каждую мегаватт генерируемой термоядерной энергии.[11] Около 35% мощности термоядерного синтеза идет на тягу, 30% на электроэнергию, 25% теряется на тепло и 10% рециркулируется для радиочастота (RF) отопление.[9] Концепция продвинулась до фазы II.[11] для дальнейшего совершенствования конструкции и защиты.

Рекомендации

  1. ^ Cohen, S.A .; Berlinger, B .; Brunkhorst, C .; Брукс, А .; Ferraro, N .; Lundberg, D. P .; Roach, A .; Глассер, А. Х. (2007). «Формирование бесстолкновительной плазмы с высоким β вращающимися магнитными полями с нечетной четностью». Письма с физическими проверками. 98 (14): 145002. Bibcode:2007PhRvL..98n5002C. Дои:10.1103 / Physrevlett.98.145002. PMID  17501282.
  2. ^ а б c d Коэн, Сэмюэл А. (4 июня 2008 г.). «Конфигурация с обратной полярностью: вклад сообщества в FESAC» (PDF). Общие исследования атомной энергии термоядерного синтеза. General Atomics. Получено 11 декабря, 2015.
  3. ^ а б c Cohen, S.A .; Милрой, Р. Д. (2000-06-01). «Поддержание замкнутой топологии силовых линий магнитного поля конфигурации с обращенным полем с добавлением статических поперечных магнитных полей». Физика плазмы. 7 (6): 2539–2545. Bibcode:2000PhPl .... 7.2539C. Дои:10.1063/1.874094. ISSN  1070-664X.
  4. ^ Glasser, A.H .; Коэн, С. А. (2002-05-01). «Ускорение ионов и электронов в конфигурации с обращенным полем с вращающимся магнитным полем нечетной четности». Физика плазмы. 9 (5): 2093–2102. Bibcode:2002ФПЛ .... 9.2093Г. Дои:10.1063/1.1459456. ISSN  1070-664X.
  5. ^ Палушек, Майкл; Томас, Стефани (01.02.2019). «Прямой привод Fusion». Princeton Satellite Systems. Получено 2019-06-17.
  6. ^ а б Уолл, Майк (2019-06-11). "Космический корабль на термоядерном синтезе может быть через десятилетие". Space.com. Будущее США. Получено 2019-06-17.
  7. ^ Джонс, Иуан Р. (1999-05-01). «Обзор привода вращающегося магнитного поля и работы ротамака в виде реверсивной конфигурации (Ротамак-FRC) и сферического токамака (Ротамак-СТ)». Физика плазмы. 6 (5): 1950–1957. Bibcode:1999PhPl .... 6.1950J. Дои:10.1063/1.873452. ISSN  1070-664X.
  8. ^ а б Barnes, Daniel C .; Schwarzmeier, James L .; Льюис, Х. Ральф; Сейлер, Чарльз Э. (1986-08-01). «Кинетическая устойчивость к наклону конфигураций с обращенным полем». Физика жидкостей. 29 (8): 2616–2629. Bibcode:1986ФФл ... 29.2616Б. Дои:10.1063/1.865503. ISSN  0031-9171.
  9. ^ а б c Томас, Стефани (2017). "Орбитальный аппарат" Плутон "и посадочный модуль с поддержкой термоядерного синтеза - Заключительный отчет по фазе I" (PDF). Сервер технических отчетов НАСА. Princeton Satellite Systems. Получено 2019-06-14.
  10. ^ Холл, Лора (5 апреля 2017 г.). "Орбитальный аппарат" Плутон "и посадочный модуль с поддержкой термоядерного синтеза. НАСА. Получено 14 июля, 2018.
  11. ^ а б Томас, Стефани Дж .; Палушек, Майкл; Коэн, Сэмюэл А .; Глассер, Александр (2018). Ядерный двигатель и двигатель будущего - Моделирование тяги прямого термоядерного двигателя. Совместная двигательная конференция 2018. Цинциннати, Огайо: Американский институт аэронавтики и астронавтики. Дои:10.2514/6.2018-4769. Получено 2019-06-14.

внешняя ссылка