Эксперимент «Звездная тяга»

Star Thrust Experiment ( STX ) — эксперимент по физике плазмы в Лаборатории физики плазмы Редмондского университета Вашингтона, который проводился с 1999 по 2001 год. ^{[ 1 ]} В ходе эксперимента изучалось удержание магнитной плазмы для поддержки экспериментов по контролируемому ядерному синтезу . В частности, компания STX впервые представила возможность формирования конфигурации с обращенным полем (FRC) с использованием вращающегося магнитного поля (RMF).

Фон

FRC представляют интерес для специалистов по физике плазмы из-за их удерживающих свойств и небольшого размера. Хотя большинство крупных экспериментов по термоядерному синтезу в мире проводятся в токамаках , FRC рассматриваются как жизнеспособная альтернатива из-за их более высокого значения бета , что означает, что такая же выходная мощность может быть получена из меньшего объема плазмы, а также их хорошей стабильности плазмы .

История

STX был построен в 1998 году. Основанием для создания STX послужило открытие, полученное в результате несвязанного эксперимента; Несколькими годами ранее эксперимент Large-S (LSX) продемонстрировал существование режима кинетически стабилизированных параметров, который оказался выгодным для термоядерного реактора. Однако эксперимент LSX сформировал FRC властолюбивым и жестоким способом, называемым тэта-пинчем .

Министерство энергетики США профинансировало программу Translation Confinement Sustainment (TCS) как продолжение программы LSX, но она еще не началась, когда STX начал работу. Целью TCS было выяснить, могут ли вращающиеся магнитные поля поддерживать FRC, рожденные методом тета-пинча, но оставался вопрос, может ли RMF в одиночку формировать FRC. Если так, то ожидалось, что это будет более легкий и эффективный способ формирования FRC. ^{[ 1 ]} Это был вопрос, на который должен был ответить STX.

STX был современником следующих экспериментов RMF-FRC: TCS , PFRC и PV Rotamak .

Актуальность для движения космических кораблей

НАСА профинансировало строительство эксперимента. ^{[ 1 ]} Это связано с тем, что термоядерные реакторы на основе FRC, по-видимому, хорошо подходят для термоядерных ракет в дальнем космосе, особенно тех, которые создаются с помощью RMF. ^{[ 2 ]} Эта концепция аналогична Direct Fusion Drive , текущему исследовательскому проекту по созданию термоядерной ракеты из термоядерного реактора FRC с приводом от RMF.

Аппарат

Вакуумный сосуд STX был изготовлен из кварца, поскольку он должен был быть непроводящим, чтобы позволить RMF проходить через него. Оно было 3 метра в длину и 40 сантиметров в диаметре. Осевое магнитное поле создавалось электромагнитными катушками и имело силу 100 Гаусс. ^{[ 3 ]} RMF был создан на основе нового полупроводникового радиочастотного усилителя, который был спроектирован как более мощный и эффективный, чем предыдущие эксперименты Ротамака. ^{[ 4 ]} Система RMF в рабочем состоянии работала на частоте 350 кГц и мощности 2 МВт, что намного ниже расчетной мощности.

Для измерения поведения плазмы эксперимент STX был оснащен вставным магнитным зондом, массивом диамагнитных петель, интерферометром, диагностическим спектроскопическим оборудованием видимого света и тройным ленгмюровским зондом. ^{[ 5 ]}

Взносы

В эксперименте STX удалось использовать RMF для достижения температуры 40 эВ, что выше, чем на поверхности Солнца, но все же в 500 раз выше температур, необходимых в термоядерном реакторе. В эксперименте STX удалось достичь плотности плазмы $5\times 10^{12}$ частиц на кубический сантиметр, что в 200 раз превышает температуру, необходимую в термоядерном реакторе. ^{[ 3 ]}

Хотя STX был разработан для демонстрации формирования FRC с использованием RMF, ^{[ 1 ]} он добился большего успеха в демонстрации создания и поддержания FRC, созданных с помощью метода тета-пинча. ^{[ 3 ]}

Недостатки

Плазму FRC труднее нагреть при низкой температуре. По этой причине система RMF на STX была спроектирована так, чтобы производить десятки МВт в начале разряда для быстрого нагрева плазмы за пределами этого так называемого «радиационного барьера» до температуры в сотни эВ, при которой плазма могла бы быть более легко выдерживается. ^{[ 1 ]} Однако проблемы с новым твердотельным ВЧ-усилителем привели к тому, что только часть этой мощности стала доступна для нагрева. ^{[ 5 ]} В результате вместо ожидаемых сотен эВ была достигнута температура всего 40 эВ.

Кроме того, первоначально предполагалось, что плазму можно будет удерживать вдали от стенок вакуумного сосуда с помощью медных петель с низким сопротивлением, которые плотно прилегают к сосуду и называются «консерваторами потока». ^{[ 1 ]} Однако часто наблюдалось, что плазма контактирует с кварцевым сосудом с внутренним диаметром 40 см. ^{[ 3 ]}

Наследие

Результаты STX были использованы для улучшения эксперимента TCS , который в конечном итоге продемонстрировал образование FRC исключительно из RMF. TCS нагревал плазму до 350 эВ. ^{[ 6 ]}

Идея использования FRC с РМП для создания термоядерной ракеты сохраняется и по сей день. Одним из примеров является Direct Fusion Drive .

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Миллер, Кеннет; Слау, Джон; Хоффман, Алан (1998). «Обзор эксперимента со звездной тягой». Материалы конференции AIP . 420 . АИП: 1352–1358. Бибкод : 1998AIPC..420.1352M . дои : 10.1063/1.54907 .
^ Слау, Джон; Миллер, Кеннет (20 июня 1999 г.). «Термоядерная двигательная установка FRC для исследования дальнего космоса является результатом эксперимента Star Thrust Experiment (STX)». 35-я совместная конференция и выставка по двигательной технике . Рестон, Вирджиния: Американский институт аэронавтики и астронавтики. дои : 10.2514/6.1999-2705 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д Слау, Джей Ти; Миллер, К.Э. (2000). «Генерация потока и поддержание конфигурации с обращенным полем с приводом тока вращающегося магнитного поля». Физика плазмы . 7 (5): 1945–1950. Бибкод : 2000ФПл....7.1945С . дои : 10.1063/1.874019 . ISSN 1070-664X .
^ Слау, Джей Ти; Миллер, Кентукки; Лотц, Делавэр; Костора, М.Р. (2000). «Мультимегаваттный твердотельный радиочастотный драйвер для генерации вращающихся магнитных полей». Обзор научных инструментов . 71 (8): 3210–3213. Бибкод : 2000RScI...71.3210S . дои : 10.1063/1.1304873 . ISSN 0034-6748 .
^ Jump up to: ^а ^б Элрик, Миллер, Кеннет (2001). Эксперимент с тягой звезды, приводом тока вращающегося магнитного поля в конфигурации с обращенным полем (Диссертация). {{cite thesis}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )
^ Го, HY; Хоффман, Алабама; Милрой, РД; Штайнхауэр, LC; Брукс, РД; Дирдс, CL; Гроссникл, Дж.А.; Мельник П.; Миллер, К.Э. (2008). «Улучшенное удержание и текущий привод высокотемпературного поля с обратными конфигурациями в новом устройстве модернизации перемещения, удержания и поддержания». Физика плазмы . 15 (5): 056101. Бибкод : 2008PhPl...15e6101G . дои : 10.1063/1.2837056 . ISSN 1070-664X .

[Miller_1998-1] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж Миллер, Кеннет; Слау, Джон; Хоффман, Алан (1998). «Обзор эксперимента со звездной тягой». Материалы конференции AIP . 420 . АИП: 1352–1358. Бибкод : 1998AIPC..420.1352M . дои : 10.1063/1.54907 .

[2] Слау, Джон; Миллер, Кеннет (20 июня 1999 г.). «Термоядерная двигательная установка FRC для исследования дальнего космоса является результатом эксперимента Star Thrust Experiment (STX)». 35-я совместная конференция и выставка по двигательной технике . Рестон, Вирджиния: Американский институт аэронавтики и астронавтики. дои : 10.2514/6.1999-2705 .

[Slough_2000-3] Jump up to: ^а ^б ^с ^д Слау, Джей Ти; Миллер, К.Э. (2000). «Генерация потока и поддержание конфигурации с обращенным полем с приводом тока вращающегося магнитного поля». Физика плазмы . 7 (5): 1945–1950. Бибкод : 2000ФПл....7.1945С . дои : 10.1063/1.874019 . ISSN 1070-664X .

[4] Слау, Джей Ти; Миллер, Кентукки; Лотц, Делавэр; Костора, М.Р. (2000). «Мультимегаваттный твердотельный радиочастотный драйвер для генерации вращающихся магнитных полей». Обзор научных инструментов . 71 (8): 3210–3213. Бибкод : 2000RScI...71.3210S . дои : 10.1063/1.1304873 . ISSN 0034-6748 .

[Elric_2001-5] Jump up to: ^а ^б Элрик, Миллер, Кеннет (2001). Эксперимент с тягой звезды, приводом тока вращающегося магнитного поля в конфигурации с обращенным полем (Диссертация). {{cite thesis}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )

[6] Го, HY; Хоффман, Алабама; Милрой, РД; Штайнхауэр, LC; Брукс, РД; Дирдс, CL; Гроссникл, Дж.А.; Мельник П.; Миллер, К.Э. (2008). «Улучшенное удержание и текущий привод высокотемпературного поля с обратными конфигурациями в новом устройстве модернизации перемещения, удержания и поддержания». Физика плазмы . 15 (5): 056101. Бибкод : 2008PhPl...15e6101G . дои : 10.1063/1.2837056 . ISSN 1070-664X .

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]