Плотный плазменный фокус

Фокус плотной плазмы ( DPF ) — это тип системы генерации плазмы , первоначально разработанной как термоядерное энергетическое устройство в начале 1960-х годов. Система продемонстрировала законы масштабирования, которые предполагали, что она не будет полезна в роли коммерческой энергетики, и с 1980-х годов она использовалась в основном как система обучения термоядерному синтезу, а также как источник нейтронов и рентгеновских лучей .

Оригинальная концепция была разработана в 1954 году Н.В. Филипповым, который заметил эффект при работе над первыми пинч-машинами в СССР. Крупная программа исследований DPF проводилась в СССР в конце 1950-х годов и продолжается по сей день. Другая версия той же базовой концепции была независимо открыта в США Дж. У. Мэзером в начале 1960-х годов. Эта версия получила некоторое развитие в 1970-х годах, и ее вариации продолжают разрабатываться.

Базовая конструкция основана на концепции z-пинча . И DPF, и пинч используют сильные электрические токи, проходящие через газ, заставляя его ионизироваться в плазму, а затем сжимать себя, увеличивая плотность и температуру плазмы. DPF сильно различается по форме; в большинстве устройств используются два концентрических цилиндра, образующих защемление на конце центрального цилиндра. Напротив, системы z-пинча обычно используют один цилиндр, иногда тор, и сжимают плазму в центр.

Плазменный фокус аналогичен устройству плазменной пушки высокой интенсивности (HIPGD) (или просто плазменной пушке ), которое выбрасывает плазму в виде плазмоида, не зажимая ее. Всесторонний обзор фокуса плотной плазмы и его разнообразных применений был сделан Кришаном в 2012 году.

Концепция щипка

Устройства на основе пинча — это самые ранние системы, серьезно разработанные для исследований в области термоядерного синтеза, начиная с очень маленьких машин, построенных в Лондоне в 1948 году. Обычно они принимали одну из двух форм; Линейные пинч -машины представляют собой прямые трубки с электродами на обоих концах для подачи тока в плазму, тогда как тороидальные пинч- машины представляют собой машины в форме пончика с обернутыми вокруг них большими магнитами, которые подают ток посредством магнитной индукции .

В обоих типах машин к разбавленному газу внутри трубки подается большой импульс тока. Этот ток первоначально ионизирует газ в плазму. После завершения ионизации, которая происходит за микросекунды, плазма начинает проводить ток. Благодаря силе Лоренца этот ток создает магнитное поле, которое заставляет плазму «сжиматься» в нить, похожую на молнию. Этот процесс очень быстро увеличивает плотность плазмы, вызывая повышение ее температуры.

Ранние устройства быстро продемонстрировали проблему со стабильностью этого процесса. Когда в плазме начал течь ток, появились магнитные эффекты, известные как «колбаска» и «перегиб», из-за которых плазма стала нестабильной и в конечном итоге ударилась о стенки контейнера. Когда это произойдет, горячая плазма заставит атомы металла или стекла отколоться и попасть в топливо, быстро охлаждая плазму. Если плазму не удастся сделать стабильной, этот процесс потери сделает термоядерный синтез невозможным.

В середине 1950-х годов появилось два возможных решения. В концепции быстрого пинча линейное устройство будет подвергаться пинчу так быстро, что плазма в целом не будет двигаться, вместо этого начнет сжиматься только самый внешний слой, создавая ударную волну , которая продолжит процесс после отключения тока. . В стабилизированном пинче добавятся новые магнитные поля, которые смешаются с полем тока и создадут более стабильную конфигурацию. В ходе испытаний ни одна из этих систем не сработала, и к началу 1960-х годов от этого пути к термоядерному синтезу практически отказались.

Концепция ДПФ

Во время экспериментов на машине линейного пинча Филиппов заметил, что определенное расположение электродов и трубки приводит к тому, что плазма принимает новые формы. Это привело к появлению концепции DPF.

В типичной машине DPF имеется два цилиндрических электрода. Внутренний, часто сплошной, физически отделен от внешнего изолирующим диском на одном конце устройства. Другой конец остается открытым. Конечным результатом является что-то вроде кофейной кружки с половинкой хот-дога, стоящей на конце посередине кружки.

При подаче тока он начинает образовывать дугу по пути наименьшего сопротивления, в конце возле изоляционного диска. Это приводит к быстрой ионизации газа в этой области, и через него начинает течь ток к внешнему электроду. Ток создает магнитное поле, которое начинает толкать плазму вниз по трубке к открытому концу. Он достигает конца за микросекунды.

Достигнув конца, он продолжает движение в течение короткого времени, но конечные точки текущего листа остаются прикрепленными к концам цилиндров. Это приводит к тому, что плазменный лист выгибается и принимает форму, напоминающую зонтик или шляпку гриба.

В этот момент дальнейшее движение прекращается, а продолжающийся ток вместо этого начинает зажимать участок возле центрального электрода. В конечном итоге это приводит к тому, что бывшая кольцеобразная область сжимается в вертикальный столбик, выступающий от конца внутреннего электрода. В этой области плотность значительно увеличивается.

Весь процесс протекает со скоростью, во много раз превышающей скорость звука в окружающем газе. Поскольку токовая оболочка продолжает перемещаться в осевом направлении, часть, контактирующая с анодом, скользит по поверхности анода осесимметрично. Когда фронт взрыва ударной волны объединяется с осью, отраженный фронт ударной волны исходит от оси до тех пор, пока не встретится с оболочкой движущего тока, которая затем образует осесимметричную границу защемленного или сфокусированного столба горячей плазмы.

Плотный плазменный столб (сродни Z-пинчу ) быстро сжимается , претерпевает нестабильность и распадается. Интенсивное электромагнитное излучение и всплески частиц, называемые мультиизлучением, происходят во время фаз плотной плазмы и распада. Эти критические фазы обычно длятся от десятков наносекунд для небольшой (кДж, 100 кА) фокусирующей машины до примерно микросекунды для большой (МДж, несколько МА) фокусирующей машины.

Процесс, включая осевую и радиальную фазы, может длиться для машины Mather DPF от нескольких микросекунд (для небольшого фокуса) до 10 микросекунд для машины с большим фокусом. Фокус-машина Филиппова имеет очень короткую осевую фазу по сравнению с фокусом Мазера.

Приложения

При работе с использованием дейтерия интенсивные вспышки рентгеновского излучения испускаются и заряженных частиц, а также побочные продукты ядерного синтеза, включая нейтроны . Продолжаются исследования, демонстрирующие потенциальное применение в качестве источника мягкого рентгеновского излучения. нового поколения микроэлектроники для литографии , поверхностной микрообработки , импульсного рентгеновского излучения и источника нейтронов для применения в сфере медицины и безопасности, а также модификации материалов, среди других.

Для применения в ядерном оружии устройства фокусировки плотной плазмы могут использоваться в качестве внешнего источника нейтронов . Другие приложения включают моделирование ядерных взрывов (для испытаний электронного оборудования) и источник коротких и интенсивных нейтронов, полезный для бесконтактного обнаружения или проверки ядерных материалов (уран, плутоний).

Характеристики

Важной характеристикой плотного плазменного фокуса является то, что плотность энергии сфокусированной плазмы практически постоянна во всем диапазоне машин. от субкилоджоулевых машин до мегаджоулевых машин, когда эти машины настроены на оптимальную работу. Это означает, что небольшая настольная плазменная фокусирующая машина производит по существу те же характеристики плазмы (температуру и плотность), что и самый большой плазменный фокус. Конечно, более крупная машина будет производить больший объем сфокусированной плазмы с соответствующим более длительным сроком службы и большей мощностью излучения.

Даже самый маленький плазменный фокус имеет по существу те же динамические характеристики, что и более крупные машины, производя те же характеристики плазмы и те же продукты излучения. Это связано с масштабируемостью плазменных явлений.

См. также плазмоид — автономный магнитный плазменный шар, который может быть создан плотным плазменным фокусом.

Расчетные параметры

Тот факт, что плотность энергии плазмы постоянна во всем диапазоне устройств плазменного фокуса, от больших до маленьких, связан со значением конструктивного параметра, который необходимо поддерживать на определенном уровне, чтобы плазменный фокус работал эффективно.

Критическим параметром конструкции «скорости» для устройств, производящих нейтроны, является ${\frac {I}{a{\sqrt {p}}}}$, где $I$ это ток, $a$ - радиус анода, а $p$ плотность газа или давление.

Например, для оптимизированной по нейтронам работы в дейтерии значение этого критического параметра, экспериментально наблюдаемое в диапазоне машин от килоджоулей до сотен килоджоулей, составляет: 9 кА/(мм·Торр). ^0.5 ), или 780 кА/(м·Па ^0.5 ), с удивительно небольшим отклонением в 10% в таком большом диапазоне типоразмеров машин.

Таким образом, если мы имеем пиковый ток 180 кА, нам потребуется радиус анода 10 мм с давлением наполнения дейтерием 4 Торр (530 Па). Длина анода должна быть согласована с временем нарастания тока конденсатора, чтобы обеспечить среднюю осевую скорость прохождения токовой оболочки чуть более 50 мм/мкс. Таким образом, время нарастания конденсатора 3 мкс требует согласованной длины анода 160 мм.

Приведенный выше пример пикового тока 180 кА, возрастающего за 3 мкс, радиуса и длины анода соответственно 10 и 160 мм, близок к расчетным параметрам PFF УООН/МЦТФ (Установка плазменного синтеза Университета Организации Объединенных Наций/Международного центра теоретической физики). . Это небольшое настольное устройство было разработано как недорогая интегрированная экспериментальная система для обучения и передачи результатов с целью инициирования/укрепления экспериментальных исследований плазмы в развивающихся странах.

Можно отметить, что квадрат параметра привода является мерой «плотности энергии плазмы».

С другой стороны, предлагается еще один, так называемый «параметр плотности энергии». ${28E \over a^{3}}$, где E — энергия, запасенная в батарее конденсаторов, а — радиус анода, для нейтронно-оптимизированной работы в дейтерии значение этого критического параметра, экспериментально наблюдаемое на диапазоне машин от десятков джоулей до сотен килоджоулей, составляет порядок ${5\cdot 10^{10}}$ Дж/м ³ . Например, для конденсаторной батареи емкостью 3 кДж радиус анода составляет порядка 12 мм. Этот параметр имеет диапазон от 3,6x10^9 до 7,6x10^11 для машин, исследованных Сото. Широкий диапазон этого параметра обусловлен тем, что это «плотность накопленной энергии», которая преобразуется в плотность энергии плазмы с разной эффективностью в зависимости от сильно различающихся характеристик разных машин. Таким образом, чтобы получить необходимую плотность энергии плазмы (которая оказывается почти постоянной для оптимизированного производства нейтронов), требуется сильно различающаяся начальная плотность хранения.

Текущие исследования

Сеть из десяти одинаковых машин DPF работает в восьми странах мира. Эта сеть публикует исследовательские работы по темам, включая оптимизацию и диагностику оборудования (мягкое рентгеновское излучение, нейтроны, электронные и ионные пучки), приложения (микролитография, микрообработка, модификация и изготовление материалов, визуализация и медицина, астрофизическое моделирование), а также моделирование и вычисления. . Сеть была организована Сингом Ли в 1986 году и координируется Азиатско-Африканской ассоциацией плазменного обучения, AAAPT . Пакет моделирования, Модель Ли, был разработан для этой сети, но применим ко всем устройствам плазменной фокусировки. Код обычно обеспечивает превосходное согласие между вычисленными и измеренными результатами. и доступен для загрузки как Лаборатория универсальной плазменной фокусировки. Институт плазменных фокусных исследований ИПФС была основана 25 февраля 2008 года для продвижения правильного и инновационного использования кода модели Ли и поощрения применения численных экспериментов с плазменным фокусом. Исследования IPFS уже распространили численные законы нейтронного масштабирования на мультимегаджоульные эксперименты. Они ждут проверки. Численные эксперименты с кодом также привели к составлению глобального закона масштабирования, указывающего на то, что хорошо известный эффект нейтронного насыщения лучше коррелирует с механизмом ухудшения масштабирования. Это связано с увеличением доминирования динамического сопротивления осевой фазы, поскольку импеданс батареи конденсаторов уменьшается с увеличением энергии (емкости) батареи. В принципе, резистивное насыщение можно преодолеть, эксплуатируя импульсную систему питания при более высоком напряжении.

Международный центр плотной намагниченной плазмы (ICDMP) в Варшаве, Польша, управляет несколькими машинами плазменной фокусировки для международной программы исследований и обучения. Среди этих машин есть машина с энергетической мощностью 1 МДж, что делает ее одной из крупнейших плазменных фокусирующих установок в мире.

В Аргентине с 1996 года действует Межинституциональная программа плазменных исследований, координируемая Национальной лабораторией плотной намагниченной плазмы ( www.pladema.net ) в Тандиле, Буэнос-Айрес. Программа также сотрудничает с Комиссией по ядерной энергии Чили и объединяет Национальную энергетическую комиссию Аргентины, Научный совет Буэнос-Айреса, Университет Центра, Университет Мар-дель-Плата, Университет Росарио и Институт физики плазмы Университет Буэнос-Айреса. В рамках программы эксплуатируются шесть устройств плазменной фокусировки, разрабатываются приложения, в частности, ультракороткая томография и обнаружение веществ с помощью импульсного нейтронного опроса. PLADEMA также внесла свой вклад за последнее десятилетие, разработав несколько математических моделей плазменного фокуса. Термодинамическая модель впервые позволила разработать расчетные карты, сочетающие геометрические и рабочие параметры, показывающие, что всегда существует оптимальная длина пушки и давление зарядки, которые максимизируют эмиссию нейтронов. В настоящее время существует полный код конечных элементов, проверенный многочисленными экспериментами, который можно с уверенностью использовать в качестве инструмента проектирования Plasma Focus.

В Чили в Чилийской комиссии по ядерной энергии эксперименты с плазменным фокусом были распространены на устройства с субкилоджоулями, а правила весов были расширены до области менее одного джоуля. Их исследования позволили узнать, что плазменный фокус можно масштабировать в широком диапазоне энергий и размеров, сохраняя одинаковые значения плотности ионов, магнитного поля, скорости плазменной оболочки, альфвеновской скорости и количества энергии на частицу. Таким образом, реакции термоядерного синтеза можно получить даже в сверхминиатюрных устройствах (например, с приводом от генераторов на 0,1 Дж), как и в более крупных устройствах (с приводом от генераторов на 1 МДж). Однако стабильность плазменного пинча сильно зависит от размера и энергии устройства. Богатая феноменология плазмы наблюдалась в настольных плазменных фокусирующих устройствах, разработанных Комиссией по ядерной энергии Чили: нитевидные структуры, тороидальные особенности, плазменные всплески и поколения плазменных струй. Кроме того, исследуются возможные применения таких небольших плазменных устройств: разработка портативных генераторов в качестве нерадиоактивных источников нейтронов и рентгеновских лучей для полевых применений, импульсное излучение в биологических исследованиях, плазменный фокус как источник нейтронов для гибридных ядерных реакторов синтеза-деления, и использование устройств плазменной фокусировки в качестве плазменных ускорителей для исследования материалов под действием мощных термоядерных импульсов. Кроме того, Чилийская комиссия по ядерной энергии в настоящее время управляет установкой SPEED-2, крупнейшей установкой Plasma Focus в южном полушарии.

С начала 2009 года был введен в эксплуатацию ряд новых машин плазменной фокусировки, в том числе INTI Plasma Focus в Малайзии, NX3 в Сингапуре, первый плазменный фокус, введенный в эксплуатацию в американском университете за последнее время, KSU Plasma. Фокус в Университете штата Канзас, который зарегистрировал свой первый пинч, испускающий термоядерные нейтроны, в канун Нового 2009 года, а также плазменный фокус IR-MPF-100 (115 кДж) в Иране.

Сила термоядерного синтеза

Несколько групп предположили, что термоядерная энергия, основанная на DPF, может быть экономически жизнеспособной, возможно, даже с топливными циклами с низким содержанием нейтронов, такими как p-B11. Возможность использования чистой мощности от p-B11 в DPF требует, чтобы потери тормозного излучения были уменьшены за счет квантово-механических эффектов, вызванных чрезвычайно сильным магнитным полем, « вмороженным в плазму» . Сильное магнитное поле также приводит к высокой скорости излучения циклотронного излучения , но при предполагаемых плотностях, когда плазменная частота превышает циклотронную частоту , большая часть этой мощности будет повторно поглощена, прежде чем она будет потеряна из плазмы. Еще одним заявленным преимуществом является возможность прямого преобразования. энергии продуктов термоядерного синтеза в электричество с потенциальным КПД выше 70%.

Лоуренсвилльская физика плазмы

Эксперименты и компьютерное моделирование для изучения возможностей DPF для получения энергии термоядерного синтеза проводятся в лаборатории физики плазмы Лоуренсвилля (LPP) под руководством Эрика Лернера , который объяснил свой подход «Фокусный синтез» в Google Tech Talk в 2007 году. 14 ноября 2008 года Лернер получил финансирование для продолжения исследований по проверке научной осуществимости Focus Fusion.

15 октября 2009 года аппарат DPF «Фокус Фьюжн-1» достиг первого пинча. 28 января 2011 года LPP опубликовала первоначальные результаты, включая экспериментальные выстрелы со значительно более высоким выходом термоядерного синтеза, чем историческая тенденция DPF. В марте 2012 года компания объявила, что достигла температуры в 1,8 миллиарда градусов, побив старый рекорд в 1,1 миллиарда, сохранявшийся с 1978 года. В 2016 году компания объявила, что достигла выхода термоядерного синтеза 0,25 джоуля. В 2017 году компания снизила массу примесей в 3 раза и количество ионов в 10 раз. Выход синтеза увеличился на 50%. Выход термоядерного синтеза увеличился вдвое по сравнению с другими устройствами плазменной фокусировки с той же потребляемой энергией 60 кДж. Кроме того, средняя энергия ионов увеличилась до рекордных 240 ± 20 кэВ для любой замкнутой термоядерной плазмы. Смесь дейтерия и азота и предварительная ионизация коронным разрядом снизили стандартное отклонение выхода термоядерного синтеза в 4 раза, примерно до 15%.

В 2019 году команда провела серию экспериментов по замене вольфрамовых электродов на бериллиевые (названные Focus Fusion 2B). После 44 выстрелов на электроде образовался гораздо более тонкий оксидный слой толщиной 10 нм с соответственно меньшим количеством примесей и меньшей эрозией электрода, чем у вольфрамовых электродов. Выход термоядерного синтеза достигал 0,1 джоуля. Выход обычно увеличивался, а количество примесей уменьшалось с увеличением количества выстрелов.

История

• 1958: Петров Д.П., Филиппов Н.В., Филиппова Т.И., Храбров В.А. "Мощный импульсный газовый разряд в камерах с проводящими стенками". В сб. Физика плазмы и проблемы управляемых термоядерных реакций. Изд. АН СССР, 1958, т. 4, с. 170–181.
• 1958: Ханнес Альфвен : Материалы Второй Международной конференции по мирному использованию атомной энергии (Организация Объединенных Наций), 31, 3.
• 1960: Х. Альфвен, Л. Линдберг и П. Митлид, « Эксперименты с плазменными кольцами » (1961), Журнал ядерной энергии . Часть C, Физика плазмы, Ускорители, Термоядерные исследования, Том 1, Выпуск 3, стр. 116–120.
• 1960: Линдберг Л., Э. Виталис и К. Т. Якобсен, «Эксперименты с плазменными кольцами» (1960) Nature 185:452.
• 1961: Ханнес Альфвен: Эксперимент с плазменным кольцом в книге « О происхождении космических магнитных полей » (1961) , Astrophysical Journal , vol. 133, с. 1049
• 1961: Линдберг Л. и Якобсен К., « Об усилении полоидального магнитного потока в плазме » (1961), Astrophysical Journal , vol. 133, с. 1043
• 1962: Филиппов. Н.В. и др., «Плотная высокотемпературная плазма при нецилиндрическом 2-пинчевом сжатии» (1962), «Дополнение к ядерному синтезу». Пт. 2, 577
• 1969: Баквальд, Роберт Аллен, «Формирование фокуса плотной плазмы за счет симметрии диска» (1969), диссертация , Университет штата Огайо .

Внешние ссылки

• Институт плазменных фокусных исследований (IPFS) .
• Исследовательские работы, опубликованные в 2011 году сотрудниками IPFS. [2]
• Плазменный фокус – тенденции в будущее( [3] )
• Размеры и срок службы плазменного фокуса ( [4] )
• Лаборатория источников плазменного излучения в Национальном институте образования Сингапура
• Лаборатория плазменного фокуса, Международный центр плотной намагниченной плазмы, Варшава, Польша
• Группа оптики и физики плазмы Папского католического университета Чили
• Доклад Леопольдо Сото ( Чилийская комиссия по ядерной энергии, Департамент термоядерной плазмы ): Новые тенденции и будущие перспективы исследований плазменного фокуса.
• Общество Фокус Фьюжн
• Лаборатория плазменного фокуса Абдуса Салама ICTP. [5]
• Пакет численного моделирования: Лаборатория универсального плазменного фокуса в INTI-UC. [6]
• Сеть фокусов плотной плазмы в Аргентине .
• Исследовательские работы, опубликованные в 2011 году сотрудниками IPFS. [7]
• Сайт Fusion Energy со ссылками. Архивировано 18 мая 2021 г. на Wayback Machine .
• Выступление Google Эрика Дж. Лернера, президента Лоуренсвилля по физике плазмы и исполнительного директора Общества термоядерного синтеза