Компактный тороидальный гибрид
Тип устройства | Стелларатор |
---|---|
Расположение | Алабама , США |
Принадлежность | Обернский университет |
Технические характеристики | |
Большой радиус | 0,75 м (2 фута 6 дюймов) |
Малый радиус | 0,29 м (11 дюймов) |
Объем плазмы | 0,6 м 3 |
Магнитное поле | 0,4–0,7 Тл (4000–7000 Гс) |
Мощность нагрева | 10 кВт (ЭКН) 100 кВт (омическая) |
История | |
Год(ы) работы | 2005 – настоящее время |
Предшественник | Компактный темно-рыжий торсатрон |
Компактный тороидальный гибрид (CTH) [1] — экспериментальное устройство в Обернском университете , которое использует магнитные поля для удержания высокотемпературной плазмы . [2] [3] CTH представляет собой торсатронного типа стелларатор с внешней спиральной катушкой с непрерывной обмоткой, которая генерирует основную часть магнитного поля для удержания плазмы.
Фон
[ редактировать ]Тороидальные термоядерные устройства с магнитным удержанием создают магнитные поля, которые лежат в торе . Эти магнитные поля состоят из двух компонентов: один компонент указывает в направлении, проходящем через длинный путь вокруг тора (тороидальное направление), а другой компонент указывает в направлении, который является коротким вокруг тора (полоидальное направление). Комбинация двух компонентов создает поле спиральной формы. (Вы можете представить, что берете гибкую леденец и соединяете два конца.) Устройства типа Стелларатор генерируют все необходимые магнитные поля с помощью внешних магнитных катушек. Это отличается от устройств токамаков , в которых тороидальное магнитное поле создается внешними катушками, а полоидальное магнитное поле создается электрическим током, протекающим через плазму.
Устройство CTH
[ редактировать ]Основное магнитное поле в CTH создается непрерывно намотанной спиральной катушкой. Вспомогательный набор из десяти катушек создает тороидальное поле, очень похожее на поле токамака . Это тороидальное поле используется для изменения вращательного преобразования структуры удерживающего магнитного поля. CTH обычно работает при магнитном поле от 0,5 до 0,6 Тл в центре плазмы. CTH может работать как чистый стелларатор , но также имеет систему омического нагревательного трансформатора для подачи электрического тока в плазму. Этот ток создает полоидальное магнитное поле, которое, помимо нагрева плазмы, изменяет вращательное преобразование магнитного поля. Исследователи CTH изучают, насколько хорошо удерживается плазма, меняя источник вращательного преобразования от внешних катушек до плазменного тока.
Вакуумный сосуд CTH изготовлен из Inconel 625 , который имеет более высокое электрическое сопротивление и более низкую магнитную проницаемость, чем нержавеющая сталь. Формирование и нагрев плазмы достигается с помощью электронного циклотронного резонансного нагрева (ECRH) с частотой 14 ГГц и мощностью 10 кВт. мощностью 200 кВт гиротрон Недавно на CTH был установлен . Омический нагрев на CTH имеет входную мощность 100 кВт.
Операции
[ редактировать ]- Температура электронов плазмы обычно составляет до 200 электронвольт с плотностью электронов до 5 × 10. 19 м −3 .
- Плазма длится от 60 мс до 100 мс.
- Чтобы накопить достаточно энергии для питания магнитных катушек, требуется 6–7 минут.
Подсистемы
[ редактировать ]Ниже приведен список подсистем, необходимых для работы CTH.
- набор из 10 двигателей GE752 с прикрепленными к ним 1-тонными маховиками для хранения энергии и выработки токов для генерации магнитного поля.
- два клистрона 18 ГГц для электронно-циклотронного резонансного нагрева
- гиротрон для 2-й гармоники Электронно-циклотронного резонансного нагрева
- батарея конденсаторов 2 кВ, 50 мкФ и батарея конденсаторов 1 кВ, 3 Ф для питания омической системы.
- 640-канальная система сбора данных
Диагностика
[ редактировать ]ЦТХ имеет большой набор диагностических средств для измерения свойств плазмы и магнитных полей. Ниже приводится список основных диагностических мероприятий.
- 4-канальный интерферометр для измерения электронной плотности
- двухцветная мягкая рентгеновская камера для томографии и температурного профиля [4]
- мягкий рентгеновский спектрометр
- детектор жесткого рентгеновского излучения
- Катушки для измерения колебаний Мирнова в плазме
- Катушки Роговского для определения тока плазмы
- Пассивная спектроскопия для измерения температуры и плотности, а также диагностических измерений эрозии вольфрама.
- Зонд Ленгмюра (тройной)
V3FIT
[ редактировать ]V3FIT [5] это программа для восстановления равновесия между плазмой и удерживающим магнитным полем в случаях, когда магнитное поле имеет тороидальную природу, а не осесимметричное , как в случае с равновесиями в токамаке. Поскольку стеллараторы неосесимметричны, группа CTH использует V3FIT и VMEC. [6] коды для восстановления равновесий. Код V3FIT использует в качестве входных данных токи в катушках магнитного удержания, ток плазмы и данные различных диагностических средств, таких как катушки Роговского, камеры SXR и интерферометр. Выходные данные кода V3FIT включают в себя структуру магнитного поля, а также профили плазменного тока, плотности и излучательной способности рентгеновского излучения. Данные эксперимента CTH использовались и продолжают использоваться в качестве испытательного стенда для кода V3FIT, который также использовался для реконструкции равновесия в экспериментах по спирально-симметричному эксперименту (HSX), большому спиральному устройству (LHD) и Wendelstein 7-X (W7-X). ) стеллараторы, а также эксперименты с обратным полем (RFX) и Мэдисонский симметричный тор (MST) с обратным полем .
Цели и основные достижения
[ редактировать ]CTH внесла и продолжает вносить фундаментальный вклад в физику стеллараторов с током. [7] [8] [9] Исследователи CTH изучили пределы и характеристики нарушений в зависимости от внешнего вращательного преобразования (из-за внешних магнитных катушек) для:
- Предотвращение сбоев, подобных токамаку, с низким коэффициентом безопасности (low-q) [10]
- События вертикального смещения (VDE) [11]
Текущие эксперименты
[ редактировать ]Студенты и сотрудники CTH работают над рядом экспериментальных и вычислительных исследовательских проектов. Некоторые из них создаются исключительно внутри компании, другие — в сотрудничестве с другими университетами и национальными лабораториями в США и за рубежом. Текущие исследовательские проекты включают в себя:
- Исследования предела плотности в зависимости от вакуумного вращательного преобразования
- Использование спектроскопических методов для измерения эрозии вольфрама с помощью DIII-D. группы
- Измерение потоков плазмы с помощью системы когерентной визуализации на CTH и стеллараторе -7X W
- Исследования транспорта тяжелых ионов на W-7X стеллараторе
- Исследование переходных областей между полностью ионизованной и нейтрально-доминированной плазмой
- Реализация 4-го канала для системы интерферометра.
- Нагрев 2-й гармоники электронно-циклотронного резонанса гиротроном
История
[ редактировать ]Тип устройства | Стелларатор |
---|---|
Расположение | Алабама , США |
Принадлежность | Обернский университет |
Технические характеристики | |
Большой радиус | 0,58 м (1 фут 11 дюймов) |
Малый радиус | 0,14 м (5,5 дюйма) |
Магнитное поле | < 0,2 Тл (2000 Гс) |
История | |
Год(ы) работы | 1983–1990 |
Преемник | Компактный темно-рыжий торсатрон |
Тип устройства | Стелларатор |
---|---|
Расположение | Алабама , США |
Принадлежность | Обернский университет |
Технические характеристики | |
Большой радиус | 0,53 м (1 фут 9 дюймов) |
Малый радиус | 0,11 м (4,3 дюйма) |
Объем плазмы | 0,12 м 3 |
Магнитное поле | 0,1 Тл (1000 Гс) |
История | |
Год(ы) работы | 1990–2000 |
Предшественник | Оберн Торсатрон |
Преемник | Компактный тороидальный гибрид |
CTH — третий торсатрон, созданный в Обернском университете. Предыдущие устройства магнитного удержания, построенные в университете, были:
Оберн Торсатрон (1983–1990)
[ редактировать ]Оберн-Торсатрон имел спиральную катушку l=2, m=10. Вакуумный сосуд имел большой радиус R o = 0,58 м и меньший радиус v = 0,14 м. Напряженность магнитного поля составляла |B| ≤ 0,2 Тл, плазму формировали с помощью ЭЦРГ с использованием магнетрона 2,45 ГГц, взятого из микроволновой печи. Оберн-Торсатрон использовался для изучения основ физики и диагностики плазмы, а также методов картографирования магнитной поверхности. [12] [13]
Компактный темно-рыжий торсатрон (1990–2000 гг.)
[ редактировать ]Компактный каштановый торсатрон (CAT) имел две спиральные катушки: l=1,m=5 и l=2,m=5, токами которых можно было управлять независимо. [14] Изменение относительных токов между спиральными катушками изменяло вращательное преобразование. Большой радиус вакуумной камеры R o = 0,53 м, малый радиус плазмы a v = 0,11 м. Стационарная напряженность магнитного поля составляла |B| 0,1 Тл. CAT-плазма была сформирована с помощью ECRH с использованием магнетронного источника с низкой пульсацией, мощностью 6 кВт и частотой 2,45 ГГц. CAT использовался для изучения магнитных островов, [15] минимизация магнитного острова, [16] и управляемое плазменное вращение [17]
Другие Стеллараторы
[ редактировать ]Ниже приведен список других Стеллараторов в США и по всему миру:
- Wendelstein 7-X в Грайфсвальде, Германия
- Большое спиральное устройство (LDH) в Японии
- Национальный эксперимент по компактному стелларатору (NCSX) — устройство, спроектированное и частично построенное в Принстонской лаборатории физики плазмы ( PPPL ).
- Спирально -симметричный эксперимент в Университете Висконсина в Мэдисоне.
- Эксперимент « Гибридное устройство для исследований и приложений штата Иллинойс» (HIDRA) в Университете Иллинойса.
- Колумбийский ненейтральный тор (CNT) в Колумбийском университете в Нью-Йорке.
- Эксперимент « Гелиотрон J» в Японии.
- TJ -II в Испании
- Стелларатор Коста-Рики ( SCR-1 )
- Ураган-2М в Украине
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Хартвелл, Дж.Дж.; Ноултон, Сан-Франциско; Хэнсон, доктор медицинских наук; Эннис, Д.А.; Маурер, Д.А. (2017). «Проектирование, конструкция и эксплуатация компактного тороидального гибрида». Наука и технология термоядерного синтеза . 72 (1): 76. Бибкод : 2017FuST...72...76H . дои : 10.1080/15361055.2017.1291046 . S2CID 125968882 .
- ^ «Моделирование компактного тороидального гибрида с использованием NIMROD» (PDF) . Принстонская лаборатория физики плазмы . США: PPPL , Министерство энергетики США . 13 ноября 2011 г. с. 18.
- ^ Бадер, Аарон (ORCID: 000000026003374X); Хегна, CC; Чианчиоза, Марк Р. (ORCID: 0000000162115311); Хартвелл, Дж.Дж. (16 марта 2018 г.). «Минимальная магнитная кривизна для упругих диверторов с использованием компактной тороидальной гибридной геометрии» . Физика плазмы и управляемый термоядерный синтез . 60 (5). США: Управление научной и технической информации Министерства энергетики США : 054003. Бибкод : 2018PPCF...60e4003B . дои : 10.1088/1361-6587/aab1ea . ОСТИ 1426567 . S2CID 49537840 . Проверено 27 сентября 2019 г.
{{cite journal}}
: CS1 maint: числовые имена: список авторов ( ссылка ) - ^ Херфиндал, JL; Доусон, доктор медицинских наук; Эннис, Д.А.; Хартвелл, Дж.Дж.; Лох, Южная Дакота; Маурер, Д.А. (2014). «Проектирование и начальная эксплуатация двухцветной системы мягких рентгеновских камер в эксперименте с компактным тороидальным гибридом». Обзор научных инструментов . 85 (11): 11Д850. Бибкод : 2014RScI...85kD850H . дои : 10.1063/1.4892540 . ПМИД 25430263 .
- ^ Хэнсон, доктор медицинских наук; Хиршман, СП; Ноултон, Сан-Франциско; Лао, LL; Лазарус, Э.А.; Шилдс, Дж. М. (2009). «V3FIT: код для трехмерной реконструкции равновесия». Ядерный синтез . 49 (7): 075031. Бибкод : 2009NucFu..49g5031H . дои : 10.1088/0029-5515/49/7/075031 . S2CID 122663807 .
- ^ Хиршман, СП; Уитсон, Дж. К. (1983). «Метод момента наискорейшего спуска для трехмерного магнитогидродинамического равновесия». Физика жидкостей . 26 (12): 3553. Бибкод : 1983PhFl...26.3553H . дои : 10.1063/1.864116 . ОСТИ 5537804 .
- ^ Ма, Х.; Чианчиоза, MR; Эннис, Д.А.; Хэнсон, доктор медицинских наук; Хартвелл, Дж.Дж.; Херфиндал, JL; Хауэлл, ЕС; Ноултон, Сан-Франциско; Маурер, Д.А.; Транверсо, Пи Джей (2018). «Определение профилей тока и вращательного преобразования в стеллараторе с током с использованием измерений излучательной способности мягкого рентгеновского излучения». Физика плазмы . 25 (1): 012516. Бибкод : 2018ФПл...25а2516М . дои : 10.1063/1.5013347 . ОСТИ 1418890 .
- ^ Робердс, Северная Каролина; Гуаццотто, Л.; Хэнсон, доктор медицинских наук; Херфиндал, JL; Хауэлл, ЕС; Маурер, Д.А.; Совинец, ЧР (2016). «Моделирование пилообразного состояния в стеллараторе с током». Физика плазмы . 23 (9): 092513. Бибкод : 2016PhPl...23i2513R . дои : 10.1063/1.4962990 .
- ^ Ма, Х.; Маурер, Д.А.; Ноултон, Сан-Франциско; АрчМиллер, MC; Чианчиоза, MR; Эннис, Д.А.; Хэнсон, доктор медицинских наук; Хартвелл, Дж.Дж.; Хеберт, доктор юридических наук; Херфиндал, JL; Пандия, доктор медицины; Робердс, Северная Каролина; Траверсо, Пи Джей (2015). «Неосесимметричная равновесная реконструкция стелларатора с током с использованием измерений радиуса инверсии внешнего магнитного поля и мягкого рентгеновского излучения». Физика плазмы . 22 (12): 122509. Бибкод : 2015ФПл...22л2509М . дои : 10.1063/1.4938031 . ОСТИ 1263869 .
- ^ Пандия, доктор медицины; АрчМиллер, MC; Чианчиоза, MR; Эннис, Д.А.; Хэнсон, доктор медицинских наук; Хартвелл, Дж.Дж.; Хеберт, доктор юридических наук; Херфиндей, JL; Ноултон, Сан-Франциско; Ма, Х.; Массида, С.; Маурер, Д.А.; Робердс, Северная Каролина; Траверсо, Пи Джей (2015). «Работа с низким запасом прочности и предотвращение пассивных сбоев в токопроводящей плазме за счет добавления вращательного преобразования стелларатора». Физика плазмы . 22 (11): 110702. Бибкод : 2015ФПл...22к0702П . дои : 10.1063/1.4935396 .
- ^ АрчМиллер, MC; Чианчиоза, MR; Эннис, Д.А.; Хэнсон, доктор медицинских наук; Хартвелл, Дж.Дж.; Хеберт, доктор юридических наук; Херфиндал, JL; Ноултон, Сан-Франциско; Ма, Х.; Маурер, Д.А.; Пандия, доктор медицины; Транверсо, Пи Джей (2014). «Подавление вертикальной неустойчивости в вытянутой токопроводящей плазме путем применения вращательного преобразования стелларатора» . Физика плазмы . 21 (5): 056113. Бибкод : 2014PhPl...21e6113A . дои : 10.1063/1.4878615 .
- ^ Ганди, РФ; Хендерсон, Массачусетс; Хэнсон, доктор медицинских наук; Хартвелл, Дж.Дж.; Суонсон, Д.Г. (1987). «Картирование магнитной поверхности с помощью метода эмиссионной нити на темно-рыжем торсатроне». Обзор научных инструментов . 58 (4): 509–515. Бибкод : 1987RScI...58..509G . дои : 10.1063/1.1139261 .
- ^ Хартвелл, Дж.Дж.; Ганди, РФ; Хендерсон, Массачусетс; Хэнсон, доктор медицинских наук; Суонсон, Д.Г.; Буш, CJ; Колчин, Р.Дж.; Англия, AC; Ли, ДК (1988). «Картографирование магнитной поверхности с помощью высокопрозрачных экранов на темно-рыжем торсатроне» . Обзор научных инструментов . 59 (3): 460–466. Бибкод : 1988RScI...59..460H . дои : 10.1063/1.1139861 .
- ^ Ганди, РФ; Хендерсон, Массачусетс; Хэнсон, доктор медицинских наук; Ноултон, Сан-Франциско; Шнайдер, Т.А.; Суонсон, Д.Г.; Кэри, младший (1990). «Дизайн компактного темно-рыжего торсатрона». Технология синтеза . 18 (2): 281. Бибкод : 1990FuTec..18..281G . дои : 10.13182/FST90-A29300 . ОСТИ 5454593 .
- ^ Хендерсон, Массачусетс; Ганди, РФ; Хэнсон, доктор медицинских наук; Ноултон, Сан-Франциско; Суонсон, Д.Г. (1992). «Измерение магнитных поверхностей на компактном темно-рыжем торсатроне». Обзор научных инструментов . 63 (12): 5678–5684. Бибкод : 1992RScI...63.5678H . дои : 10.1063/1.1143349 .
- ^ Ганди, РФ; Хартвелл, Дж.Дж.; Хэнсон, доктор медицинских наук; Ноултон, Сан-Франциско; Лин, Х. (1994). «Управление магнитным островом на компактном темно-рыжем торсатроне». Физика плазмы . 1 (5): 1576–1582. Бибкод : 1994PhPl....1.1576G . дои : 10.1063/1.870709 .
- ^ Томас-младший, .Э; Ноултон, Сан-Франциско; Ганди, РФ; Куни, Дж.; Причард, Д.; Прюитт, Т. (1998). «Управляемое вращение плазмы в компактном темно-рыжем торсатроне». Физика плазмы . 5 (11): 3991–3998. Бибкод : 1998PhPl....5.3991T . дои : 10.1063/1.873120 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Веб-сайт CTH. Архивировано 13 августа 2019 г. на Wayback Machine.
- Физический факультет
- Обернский университет