Эксперимент с левитирующим диполем

ЛДКС
Эксперимент с левитирующим диполем
	Фотография камеры LDX от 25 января 2010 г.
Тип устройства	Левитирующий диполь
Расположение	Кембридж , Массачусетс , США
Принадлежность	Центр плазменной науки и термоядерного синтеза Массачусетского технологического института , Колумбийский университет
Технические характеристики
Большой радиус	0,34 м (1 фут 1 дюйм)
История
Год(ы) работы	2004–2011
Связанные устройства	Бесстолкновительный эксперимент Терреллы (CTX)
Ссылки
Веб-сайт	Веб-сайт эксперимента с левитирующим диполем

Эксперимент с левитирующим диполем ( LDX ) был экспериментом по изучению генерации термоядерной энергии с использованием концепции левитирующего диполя . Устройство было первым в своем роде, которое протестировало концепцию левитирующего диполя и финансировалось Министерством энергетики США . ^[1] Машина также была частью сотрудничества между Центром науки о плазме и термоядерном синтезе Массачусетского технологического института и Колумбийским университетом , где проводился еще один (нелевитирующий) дипольный эксперимент, Бесстолкновительный эксперимент Терреллы (CTX). ^[2]

LDX прекратила свою деятельность в ноябре 2011 года, когда ее финансирование со стороны Министерства энергетики закончилось, поскольку ресурсы были перенаправлены на токамаков . исследования ^[3]^[4]

Концепция и развитие

Концепция левитирующего диполя как термоядерного реактора была впервые выдвинута Акирой Хасэгавой в 1987 году. ^[5] Позднее эта концепция была предложена в качестве эксперимента Джеем Кеснером из Массачусетского технологического института и Майклом Мауэлем из Колумбийского университета в 1997 году. ^[6] Пара собрала команду и собрала деньги на постройку машины. Первую плазму они получили в пятницу, 13 августа 2004 г., в 12:53. Первая плазма была получена путем (1) успешной левитации дипольного магнита и (2) радиочастотного нагрева плазмы. ^[7] С тех пор команда LDX успешно провела несколько испытаний на левитацию, включая 40-минутное подвешивание сверхпроводящей катушки 9 февраля 2007 года. ^[8] Вскоре после этого катушка была повреждена во время контрольного испытания в феврале 2007 года и заменена в мае 2007 года. ^[9] Замененная катушка была худшего качества: электромагнит с медной обмоткой , который также имел водяное охлаждение. Научные результаты, в том числе наблюдение внутреннего турбулентного пинча, были опубликованы в журнале Nature Physics . ^[10]

Описание машины

Диполь

Для этого эксперимента требовался специальный свободно плавающий электромагнит, создававший уникальное магнитное поле «унитаза». Магнитное поле изначально состояло из трех катушек. Каждая катушка содержала 19-жильный из ниобия и олова резерфордовский кабель (обычный в низкотемпературных сверхпроводящих магнитах). Они зацикливались внутри конструкции из инконеля ; создать магнит, похожий на огромный пончик. Пончик заряжался с помощью индукции . После зарядки он генерировал магнитное поле примерно в течение 8 часов. В целом кольцо весило 560 килограммов. ^[11] и парил на высоте 1,6 метра над сверхпроводящим кольцом. ^[12] Кольцо создавало пиковое поле напряженностью 5,7 Тл. ^[13] Этот сверхпроводник был заключен внутри криостата с жидким гелием, который поддерживал температуру электромагнита ниже К. 10 ^[13] Эта конструкция аналогична дипольному эксперименту D20 в Беркли и эксперименту RT-1 в Токийском университете. ^[14]

Камера

Диполь был подвешен внутри вакуумной камеры в форме «раздавленной тыквы» диаметром около 5,2 метра и высотой около 3 метров. ^[15] В основании камеры находилась зарядная катушка. Эта катушка используется для зарядки диполя с помощью индукции . Затем диполь поднимают в центр камеры с помощью системы пусковой установки, проходящей через отверстие дипольного магнита. Медный магнит, закрепленный наверху камеры, создавал магнитное поле, которое притягивало плавающий дипольный магнит. Это внешнее поле будет взаимодействовать с полем диполя, подвешивая диполь. Магнитное поле, создаваемое плавающим дипольным магнитом, используется для удержания плазмы. Плазма образуется вокруг диполя и внутри камеры. Плазма образуется путем нагревания газа низкого давления с использованием радиочастоты , по сути, микроволнового нагрева плазмы в поле мощностью ~ 15 киловатт. ^[16]

Диагностика

За машиной следили с помощью диагностики, достаточно стандартной для всех Сплавов. В их число вошли:

Петля потока . Это петля из проволоки. Магнитное поле проходит через проволочную петлю. Поскольку поле внутри контура менялось, возникал ток. Это было измерено, и по сигналу был измерен магнитный поток.
Детектор рентгеновского излучения. ^[17] Эта диагностика измеряла испускаемые рентгеновские лучи. Отсюда была найдена температура плазмы. Внутри машины их было четыре, каждая по длине шнура (или линии, выходящей наружу) внутри машины. ^[17] Этот детектор был хорош для измерения электронов, обычно около 100 электрон-вольт. Вся плазма теряет энергию, излучая свет. Это охватывает весь спектр: видимые, ИК-, УФ- и рентгеновские лучи. Это происходит каждый раз, когда частица меняет скорость по любой причине. ^[18] Если причина в отклонении магнитным полем, то излучение представляет собой циклотронное излучение на малых скоростях и синхротронное излучение на высоких скоростях. Если причиной является отклонение другой частицей, плазма излучает рентгеновские лучи, известные как тормозное излучение.
Рентгеновская камера. ^[19] Это может считывать рентгеновские лучи более низкой энергии.
Обычная видеокамера ^[19]
Эмиссионный зонд Ленгмюра . Ленгмюровский зонд представляет собой проволоку, вставленную в плазму, которая поглощает окружающие заряженные частицы. Вы можете изменять напряжение на этом проводе. При изменении напряжения поглощенные заряженные частицы изменяются, образуя ВАХ- кривую. Это можно прочитать и использовать для измерения плотности и температуры близлежащей плазмы.
Тройной зонд Ленгмюра ^[19]
Дюжина зондов Ленгмюра сгруппированы вместе ^[19]

Поведение

Плазма удерживается дипольным магнитным полем. Одиночные частицы вращаются вдоль силовых линий дипольного магнита на частоте циклотронного резонанса , совершая полоидальные орбиты. Показано, что электронная популяция имеет пиковый профиль давления и плотности в результате явления турбулентного пинча. ^[10]

Режимы работы

Наблюдалось два режима работы: ^[21]

Горячий обмен электронами: более низкая плотность, в основном электронная плазма, возникающая, когда диполь работал в «поддержанном» режиме (не в левитации).
Более традиционный магнитогидродинамический режим.

Они были предложены Николасом Кроллом в 1960-х годах. ^[22]

Подавление трития

В случае дейтерия ^{[ сломанный якорь ]} термоядерный синтез (самое дешевое и простое термоядерное топливо) геометрия LDX имеет уникальное преимущество перед другими концепциями. При синтезе дейтерия образуются два продукта, которые происходят практически с равной вероятностью:

{\ce {D + D -> T + ^1H}}

{\ce {D + D -> ^3He + n}}

В этой машине вторичный тритий мог быть частично удален, что является уникальным свойством диполя. ^[23] Другой выбор топлива — тритий и дейтерий. Эту реакцию можно проводить при более низких температурах и давлениях. Но у него есть несколько недостатков. Во-первых, тритий намного дороже дейтерия. Это потому, что тритий встречается редко. Он имеет короткий период полураспада, что затрудняет его производство и хранение. Он также считается опасным материалом, что затрудняет его хранение и обращение. Наконец, тритий и дейтерий производят быстрые нейтроны , а это означает, что любой реактор, сжигающий их, потребует тяжелой радиационной защиты для своих магнитов. Поскольку плавающий дипольный магнит не может иметь службы (например, охлаждение), подключенные к внешнему миру, это значительно усложняет управление температурой плавающего магнита в машине DT.

Ссылки

^ «Эксперимент с левитирующим диполем» . www-internal.psfc.mit.edu . Проверено 22 июня 2020 г.
^ «СТХ» . сайты.apam.columbia.edu . Проверено 22 июня 2020 г.
^ «Финансирование LDX отменено» . Архивировано из оригинала 17 января 2013 г. Проверено 27 июня 2012 г.
^ Федер, Тони (2011). «США сужают исследования в области термоядерного синтеза и присоединяются к немецким стеллараторам» . Физика сегодня . 64 (9): 30. дои : 10.1063/PT.3.1252 .
^ Хасэгава, Акира (1987). «Дипольный термоядерный реактор» . Комментарии о физике плазмы и управляемом термояде . 11 (3): 147–151. ISSN 0374-2806 .
^ Кеснер, Дж; Мауэль, М. (1997). «Удержание плазмы в левитирующем магнитном диполе» (PDF) . Отчеты по физике плазмы . 23 (9): 742. Бибкод : 1997PlPhR..23..742K .
^ «LDX начинает первые эксперименты с плазмой» . Эксперимент с левитирующим диполем . 13 августа 2004 года . Проверено 7 августа 2016 г.
^ «Первый полет и поврежденная L-катушка» . Эксперимент с левитирующим диполем . 9 марта 2009 г.
^ «Замена левитационной катушки» . Эксперимент с левитирующим диполем . 21 мая 2007 г.
^ Jump up to: ^а ^б Боксер, AC; Бергманн, Р; Эллсворт, Дж. Л.; Гарнье, Д.Т.; Кеснер, Дж; Мауэль, МЭ; Восков, П. (2010). «Турбулентный внутренний пинч плазмы, удерживаемый левитирующим дипольным магнитом» . Физика природы . 6 (3): 207. Бибкод : 2010NatPh...6..207B . дои : 10.1038/nphys1510 .
^ Гарнье, DT; Хансен, АК; Мауэль, Мэн; Майкл, ПК; Минервини, СП; Радовинский А.; Жуковский А.; Боксер, А.; Эллсуорт, Дж.Л.; Карим, И.; Ортис, Э.Э. (2006). «Проектирование и ввод в эксплуатацию установки ЛДКС». Термоядерная инженерия и дизайн . 81 (20–22): 2371–2380. Бибкод : 2006FusED..81.2371G . дои : 10.1016/j.fusengdes.2006.07.002 .
^ «Эксперимент с левитирующим диполем» . Массачусетский технологический институт . Проверено 7 августа 2016 г.
^ Jump up to: ^а ^б «Проектирование и изготовление криостата для плавающей катушки эксперимента с левитирующим диполем (LDX)» А. Жуковский, М. Морган, Д. Гарнье, А. Радовинский, Б. Смит, Дж. Шульц, Л. Мятт, С. Пуррахими, Дж. Минервини.
^ «Турбулентный транспорт в лабораторном магнитосферном диполе» 38-я конференция Европейского физического общества по физике плазмы, Страсбург, Франция, 28 июня 2011 г.
^ презентация «Проектирование и диагностика машин LDX», встреча APS DPP, 1998 г., Гарнье и Мауэль
^ «Оптимизация диагностики горячими электронами на LDX» Ногами, Восков, Кеснер, Гарнье, Мауэль, 2009 г.
^ Jump up to: ^а ^б «Рентгеновская диагностика эксперимента с левитирующим диполем», Дженнифер Л. Элсворт, магистерская диссертация, Массачусетский технологический институт, 2004 г.
^ Дж. Лармор, «О динамической теории электрической и светоносной среды», Philosophical Transactions of the Royal Society 190, (1897), стр. 205–300 (третий и последний в серии одноимённых статей).
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д «Диагностическая установка для пространственных и временных измерений флуктуаций плазмы с использованием электрических зондов в LDX» Э. Ортис, М. Мауэль, Д. Гарнье, 45-е заседание DPP, октябрь 2003 г.
^ «Обзор результатов LDX» Джей Кеснер, А. Боксер, Дж. Эллсворт, И. Карим, представлено на собрании APS, Филадельфия, 2 ноября 2006 г., документ VP1.00020
^ «Катализируемый гелием DD-синтез в левитирующем диполе» Презентация Кеснер, Катто, Крашенинникова, Встреча DPP 2005 г., Денвер
^ «Стабилизация горячей электронной плазмы холодным фоном» Н. Кролл, Phys. Жидкости 9, 820 (1966)
^ Белая книга «Термозные технологии для DD-термоядерного синтеза с тритием», подготовленная для Подкомитета по материаловедению FESAC, М. Е. Мауэля и Дж. Кеснера, 19 декабря 2011 г.

Внешние ссылки

[1] «Эксперимент с левитирующим диполем» . www-internal.psfc.mit.edu . Проверено 22 июня 2020 г.

[2] «СТХ» . сайты.apam.columbia.edu . Проверено 22 июня 2020 г.

[fundingcut-3] «Финансирование LDX отменено» . Архивировано из оригинала 17 января 2013 г. Проверено 27 июня 2012 г.

[fundingcut2-4] Федер, Тони (2011). «США сужают исследования в области термоядерного синтеза и присоединяются к немецким стеллараторам» . Физика сегодня . 64 (9): 30. дои : 10.1063/PT.3.1252 .

[5] Хасэгава, Акира (1987). «Дипольный термоядерный реактор» . Комментарии о физике плазмы и управляемом термояде . 11 (3): 147–151. ISSN 0374-2806 .

[6] Кеснер, Дж; Мауэль, М. (1997). «Удержание плазмы в левитирующем магнитном диполе» (PDF) . Отчеты по физике плазмы . 23 (9): 742. Бибкод : 1997PlPhR..23..742K .

[20040813plasma-7] «LDX начинает первые эксперименты с плазмой» . Эксперимент с левитирующим диполем . 13 августа 2004 года . Проверено 7 августа 2016 г.

[20070209levitation-8] «Первый полет и поврежденная L-катушка» . Эксперимент с левитирующим диполем . 9 марта 2009 г.

[9] «Замена левитационной катушки» . Эксперимент с левитирующим диполем . 21 мая 2007 г.

[NaturePhysResults-10] Jump up to: ^а ^б Боксер, AC; Бергманн, Р; Эллсворт, Дж. Л.; Гарнье, Д.Т.; Кеснер, Дж; Мауэль, МЭ; Восков, П. (2010). «Турбулентный внутренний пинч плазмы, удерживаемый левитирующим дипольным магнитом» . Физика природы . 6 (3): 207. Бибкод : 2010NatPh...6..207B . дои : 10.1038/nphys1510 .

[Garnier2006-11] Гарнье, DT; Хансен, АК; Мауэль, Мэн; Майкл, ПК; Минервини, СП; Радовинский А.; Жуковский А.; Боксер, А.; Эллсуорт, Дж.Л.; Карим, И.; Ортис, Э.Э. (2006). «Проектирование и ввод в эксплуатацию установки ЛДКС». Термоядерная инженерия и дизайн . 81 (20–22): 2371–2380. Бибкод : 2006FusED..81.2371G . дои : 10.1016/j.fusengdes.2006.07.002 .

[12] «Эксперимент с левитирующим диполем» . Массачусетский технологический институт . Проверено 7 августа 2016 г.

[Construction-13] Jump up to: ^а ^б «Проектирование и изготовление криостата для плавающей катушки эксперимента с левитирующим диполем (LDX)» А. Жуковский, М. Морган, Д. Гарнье, А. Радовинский, Б. Смит, Дж. Шульц, Л. Мятт, С. Пуррахими, Дж. Минервини.

[14] «Турбулентный транспорт в лабораторном магнитосферном диполе» 38-я конференция Европейского физического общества по физике плазмы, Страсбург, Франция, 28 июня 2011 г.

[15] презентация «Проектирование и диагностика машин LDX», встреча APS DPP, 1998 г., Гарнье и Мауэль

[16] «Оптимизация диагностики горячими электронами на LDX» Ногами, Восков, Кеснер, Гарнье, Мауэль, 2009 г.

[X-rays-17] Jump up to: ^а ^б «Рентгеновская диагностика эксперимента с левитирующим диполем», Дженнифер Л. Элсворт, магистерская диссертация, Массачусетский технологический институт, 2004 г.

[18] Дж. Лармор, «О динамической теории электрической и светоносной среды», Philosophical Transactions of the Royal Society 190, (1897), стр. 205–300 (третий и последний в серии одноимённых статей).

[2003Diag-19] Jump up to: ^а ^б ^с ^д «Диагностическая установка для пространственных и временных измерений флуктуаций плазмы с использованием электрических зондов в LDX» Э. Ортис, М. Мауэль, Д. Гарнье, 45-е заседание DPP, октябрь 2003 г.

[overview-20] «Обзор результатов LDX» Джей Кеснер, А. Боксер, Дж. Эллсворт, И. Карим, представлено на собрании APS, Филадельфия, 2 ноября 2006 г., документ VP1.00020

[21] «Катализируемый гелием DD-синтез в левитирующем диполе» Презентация Кеснер, Катто, Крашенинникова, Встреча DPP 2005 г., Денвер

[22] «Стабилизация горячей электронной плазмы холодным фоном» Н. Кролл, Phys. Жидкости 9, 820 (1966)

[23] Белая книга «Термозные технологии для DD-термоядерного синтеза с тритием», подготовленная для Подкомитета по материаловедению FESAC, М. Е. Мауэля и Дж. Кеснера, 19 декабря 2011 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]

[20]

[21]

[22]

[23]