Магнитное зеркало

Это показывает базовую машину с магнитным зеркалом, включающую движение заряженных частиц. Кольца в центре расширяют удерживающий объем по горизонтали, но они не являются строго необходимыми и не встречаются на многих зеркальных машинах.

Магнитное зеркало , также известное как магнитная ловушка или иногда как пиротрон , представляет собой тип термоядерного устройства с магнитным удержанием , используемого в термоядерной энергии для захвата высокотемпературной плазмы с помощью магнитных полей . Зеркало было одним из первых крупных подходов к термоядерному синтезу, наряду со стеллараторами и машинами z-пинча .

В классическом магнитном зеркале конфигурация электромагнитов используется для создания области с возрастающей плотностью линий магнитного поля на обоих концах удерживающего объема. Частицы, приближающиеся к концам, испытывают возрастающую силу, которая в конечном итоге заставляет их изменить направление и вернуться в область удержания. Этот зеркальный эффект будет возникать только для частиц в ограниченном диапазоне скоростей и углов сближения, тогда как те, кто находится за пределами этих пределов, будут ускользать, что делает зеркала по своей сути «протекающими».

Анализ ранних термоядерных устройств, проведенный Эдвардом Теллером, показал, что основная концепция зеркала по своей сути нестабильна. В 1960 году советские исследователи представили новую конфигурацию «минимум-B» для решения этой проблемы, которая затем была модифицирована британскими исследователями в «бейсбольную катушку», а в США — в схему «магнит инь-ян». Каждое из этих нововведений приводило к дальнейшему увеличению производительности, сглаживанию различных нестабильностей, но требовало все более крупных магнитных систем. Концепция тандемного зеркала , разработанная в США и России примерно в одно и то же время, предложила способ создания энергоположительных машин, не требующих огромных магнитов и потребляемой мощности.

К концу 1970-х годов многие проблемы проектирования считались решенными, и Ливерморская лаборатория Лоуренса начала проектирование испытательной установки для зеркального синтеза (MFTF) на основе этих концепций. Машина была завершена в 1986 году, но к этому времени эксперименты на меньшем по размеру Tandem Mirror Experiment выявили новые проблемы. В ходе сокращения бюджета MFTF был законсервирован и в конечном итоге списан. В концепции термоядерного реактора под названием « Бампи-тор» использовалась серия магнитных зеркал, соединенных в кольцо. Его исследовали в Национальной лаборатории Ок-Ридж до 1986 года. Зеркальный подход с тех пор получил меньше развития в пользу токамака , но зеркальные исследования продолжаются и сегодня в таких странах, как Япония и Россия.

История

Ранние работы

Устройство Q-камбера Лоуренса Ливермора, замеченное в 1955 году, когда оно еще было засекречено. Он был одним из первых, кто наглядно продемонстрировал удержание с помощью зеркального эффекта.

Идея магнитно-зеркального удержания плазмы была предложена в начале 1950-х годов независимо Гершем Будкером. в Курчатовском институте , Россия, и Ричард Ф. Пост в Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса в США.

С созданием проекта «Шервуд» в 1951 году Пост начал разработку небольшого устройства для проверки конфигурации зеркала. Он представлял собой линейную трубку из пирекса с магнитами снаружи. Магниты были расположены в двух наборах: один набор маленьких магнитов был равномерно расположен по длине трубки, а другой — пара магнитов гораздо большего размера на обоих концах. В 1952 году им удалось продемонстрировать, что плазма внутри трубки удерживалась гораздо дольше, когда зеркальные магниты на конце были включены. В то время он называл это устройство «пиротроном», но это название не прижилось.

Нестабильность

В ныне знаменитом докладе о термоядерном синтезе в 1954 году Эдвард Теллер отметил, что любое устройство с выпуклыми силовыми линиями магнитного поля, скорее всего, будет нестабильным. Эта проблема сегодня известна как флейтовая нестабильность . Зеркало имеет именно такую ​​конфигурацию; магнитное поле было сильно выпуклым на концах, где напряженность поля возрастала. Это вызвало серьезную обеспокоенность Поста, но в течение следующего года его команда не смогла обнаружить никаких признаков этих проблем. В октябре 1955 года он зашел так далеко, что заявил, что «теперь становится ясно, что, по крайней мере, в случае зеркальной машины эти расчеты в деталях не применимы».

В России первое малогабаритное зеркало («пробкотрон») было построено в 1959 году в Институте ядерной физики им. Будкера в Новосибирске , Россия. Они сразу же увидели проблему, о которой предупреждал Теллер. Это привело к некоторой загадке, поскольку у американских команд под руководством Поста по-прежнему не было никаких доказательств подобных проблем. В 1960 году Пост и Маршалл Розенблут опубликовали отчет, «предоставляющий доказательства существования устойчивой плазмы... где простейшая гидромагнитная теория предсказывает нестабильность».

На совещании по физике плазмы в Зальцберге в 1961 году советская делегация представила значительные данные, свидетельствующие о нестабильности, в то время как американские группы по-прежнему ничего не показывали. Небрежный вопрос Льва Арцимовича решил дело; когда он спросил, были ли диаграммы, создаваемые приборами на машинах в США, скорректированы с учетом хорошо известной задержки выходного сигнала используемых детекторов, внезапно стало ясно, что кажущаяся стабильность в 1 мс на самом деле была задержкой в ​​1 мс. задержка измерений. Арцимович зашел так далеко, что заявил: «Сейчас у нас нет ни одного экспериментального факта, указывающего на длительное и стабильное удержание плазмы с горячими ионами в пределах простой геометрии магнитного зеркала».

Новые геометрии

Baseball II представлял собой сверхпроводящую версию конструкции бейсбольной катушки, которую можно было увидеть здесь в 1969 году во время строительства.

Эксперимент с магнитной бутылкой 2X 1978 года. На фото Фред Коэнсген. В цилиндре находится один комплект форсунок нейтрального света, самого зеркала не видно.

Вопрос о потенциальной нестабильности уже некоторое время рассматривался на местах, и был предложен ряд возможных решений. Обычно они работали за счет изменения формы магнитного поля, чтобы оно было повсюду вогнутым, так называемая конфигурация «минимум-B».

На той же встрече 1961 года Михаил Иоффе представил данные эксперимента с минимумом B. В его конструкции использовалась серия из шести дополнительных токопроводящих стержней внутри типичного зеркала, чтобы изогнуть плазму в форму скрученного галстука-бабочки и получить конфигурацию минимума B. Они продемонстрировали, что это значительно сократило время удержания до порядка миллисекунд. Сегодня эта композиция известна как «Иоффе-батончики».

Группа из Калхэмского центра термоядерной энергетики отметила, что конструкцию Иоффе можно улучшить, объединив исходные кольца и стержни в одно новое устройство, подобное шву на теннисном мяче. Эта концепция была подхвачена в США, где она была переименована в честь строчки на бейсбольном мяче. Эти «бейсбольные катушки» имели большое преимущество: они оставляли внутренний объем реактора открытым, обеспечивая легкий доступ к диагностическим приборам. С другой стороны, размер магнита по сравнению с объемом плазмы был неудобен и требовал очень мощных магнитов. Позже Пост представил дальнейшее усовершенствование - «катушки Инь-Ян», в которых использовались два магнита С-образной формы для создания той же конфигурации поля, но в меньшем объеме.

В США происходили серьезные изменения в программе термоядерного синтеза. Роберт Хирш и его помощник Стивен О. Дин были воодушевлены огромным ростом производительности советских токамаков , что позволило предположить, что производство электроэнергии теперь стало реальной возможностью. Хирш начал менять программу: из той, которую он высмеивал как серию нескоординированных научных экспериментов, в спланированную попытку в конечном итоге достичь безубыточности . В рамках этих изменений он начал требовать, чтобы нынешние системы продемонстрировали реальный прогресс, иначе они будут отменены. Неровный тор , левитрон и Астрон были оставлены не без боя.

Дин встретился с командой Ливермора и дал понять, что Астрон, скорее всего, будет сокращен, а зеркала также придется улучшить или обрезать торцы, что оставило бы лабораторию без крупных термоядерных проектов. В декабре 1972 года Дин встретился с командой зеркала и выдвинул ряд требований; их системы должны будут продемонстрировать значение nT, равное 10. ¹² , по сравнению с текущим лучшим числом на 2XII 8x10. ⁹ . После значительной обеспокоенности исследователей, что это будет невозможно, Дин отступил до 10. ¹¹ было продемонстрировано к концу 1975 года.

ДКЛК

Хотя 2XII и близко не был к уровню, необходимому требованиям Дина, он, тем не менее, чрезвычайно преуспел в демонстрации того, что механизм инь-ян работоспособен, и подавил основные нестабильности, наблюдавшиеся в более ранних зеркалах. Но эксперименты продолжались до 1973 года, и результаты не улучшались, как ожидалось. Появились планы резко повысить производительность за счет добавления инжекции нейтрального луча , чтобы быстро поднять температуру и достичь условий Дина. Результатом стал 2XIIB, B от «балок».

Пока создавался 2XIIB, в ноябре 1974 года Фаулер получил письмо от Иоффе, содержащее серию фотографий осциллограмм без каких-либо других объяснений. Фаулер понял, что они продемонстрировали, что введение теплой плазмы во время пробега улучшает удержание. Похоже, это произошло из-за долгожданной, но до сих пор невидимой нестабильности, известной как «конус дрейфовых циклотронных потерь» или DCLC. Фотографии Иоффе продемонстрировали, что DCLC наблюдался в советских реакторах и что теплая плазма, по-видимому, стабилизировала его.

Реактор 2XIIB начал настоящие эксперименты в 1975 году, и сразу же был замечен значительный DCLC. Досадно, что эффект усилился по мере улучшения условий эксплуатации за счет улучшения вакуума и очистки салона. Фаулер признал, что характеристики были идентичны характеристикам на фотографиях Иоффе, а 2XIIB был модифицирован для впрыска теплой плазмы в центр пробега. Когда результаты были видны, их описали так: «Солнечный свет пробился сквозь облака, и был шанс, что все будет в порядке».

Q-усиление и тандемные зеркала

Эксперимент с тандемным зеркалом (TMX) в 1979 году. Одно из двух зеркал инь-ян можно увидеть обнаженным на конце, ближе к камере.

В июле 1975 года команда 2XIIB представила свои результаты для nT в формате 7x10. ¹⁰ , на порядок лучше, чем 2XII, и достаточно близко к требованиям Дина. К этому времени Princeton Large Torus был запущен в эксплуатацию и устанавливал рекорд за рекордом, что побудило Хирша начать планировать создание еще более крупных машин в начале 1980-х годов с явной целью достижения безубыточности , или Q = 1. Он стал известен как испытательный термоядерный реактор Токамак (TFTR), цель которого заключалась в том, чтобы работать на дейтерий - тритиевом топливе и достигать Q = 1, в то время как будущие машины будут иметь Q > 10.

Судя по последним результатам по 2XIIB, выяснилось, что более крупная конструкция «инь-ян» также улучшит производительность. Однако расчеты показали, что оно достигнет лишь Q =0,03. Даже наиболее развитые версии базовой концепции с утечкой на абсолютно нижнем пределе, допускаемом теорией, могли достигать только Q = 1,2. Это сделало эти конструкции практически бесполезными для производства электроэнергии, и Хирш потребовал их улучшения, если программа будет продолжена. Эта проблема стала известна как «Q-улучшение».

В марте 1976 года команда Ливермора решила организовать рабочую группу по теме Q-усиления на международной встрече по термоядерному синтезу в Германии в октябре 1976 года. В выходные 4 июля Фаулер и Пост пришли к идее создания тандемного зеркала — системы, состоящей из двух зеркал на обоих концах большой камеры, в которой содержится большое количество термоядерного топлива при более низком магнитном давлении. Они вернулись в LLNL в понедельник и обнаружили, что идея была независимо разработана штатным физиком Грантом Логаном. Они привезли в Германию более развитые версии этих идей, чтобы найти советского исследователя, предлагающего точно такое же решение.

По возвращении со встречи Дин встретился с командой и решил закрыть систему Baseball II и направить ее финансирование на проект тандемного зеркала. Это появилось как эксперимент с тандемным зеркалом или TMX. Окончательный проект был представлен и одобрен в январе 1977 года. Строительство крупнейшего на тот момент эксперимента в Ливерморе было завершено к октябрю 1978 года. К июлю 1979 года эксперименты продемонстрировали, что TMX работает, как ожидалось.

Тепловые барьеры и MFTF

Еще до того, как появилась концепция тандемного зеркала, Министерство энергетики к тому времени согласилось профинансировать строительство зеркала гораздо большего размера, известного как испытательная установка для термоядерного синтеза (MFTF). В то время план MFTF заключался в том, чтобы просто стать самым большим магнитом Инь-Ян, который можно было бы построить. После успеха концепции TMX конструкция была изменена и стала MFTF-B, в которой использовались два крупнейших магнита Инь-Янь, которые только можно было собрать в огромную тандемную конфигурацию. Целью было достичь Q =5. К концу 1978 года, когда команды начали рассматривать шаги по расширению TMX, стало ясно, что он просто не достигнет поставленных целей. В январе 1979 года Фаулер остановил работу, заявив, что необходимо найти некоторые улучшения.

В ходе экспериментов с TMX ко всеобщему удивлению было обнаружено, что закон, введенный Лайманом Спитцером в 1950-х годах, не соблюдается; по крайней мере, в ТМХ было обнаружено, что электроны на любой отдельной магнитной линии имеют самые разные скорости, что было совершенно неожиданно. Дальнейшая работа Джона Клаузера показала, что это произошло из-за инъекции теплой плазмы, используемой для подавления DCLC. Логан взял эти результаты и использовал их, чтобы найти совершенно новый способ удержания плазмы; при тщательном расположении этих электронов можно было бы создать область с большим количеством «холодных» электронов, которые притягивали бы положительно заряженные ионы. Затем Дэйв Болдуин продемонстрировал, что это можно улучшить с помощью нейтральных лучей. Фаулер назвал этот результат « тепловым барьером », поскольку более горячее топливо отталкивалось из этих областей. Оказалось, что он может поддерживать удержание, используя гораздо меньше энергии, чем чистая концепция TMX.

Этот результат позволил предположить, что MFTF не просто будет соответствовать произвольному Q = 5, но и сделает его реальным конкурентом токамаков, которые обещали гораздо более высокие Q. значения Фаулер начал разработку другой версии MFTF, все еще называемой MFTF-B, основанной на концепции теплового барьера. Лаборатория решила, что им следует начать строительство, не имея каких-либо экспериментальных доказательств того, что концепция работает, чтобы выпустить конкурентоспособную машину примерно в то же время, что и TFTR. Пока строилась эта огромная машина, TMX модифицировали для проверки концепции.

28 января 1980 года Фаулер и его команда представили свои результаты Министерству энергетики. Продемонстрировав, что TMX работает, и вооружившись дополнительными данными от Советов, а также компьютерным моделированием, они представили план начала строительства MFTF стоимостью 226 миллионов долларов, одновременно модернизируя TMX, чтобы добавить тепловые барьеры в TMX-U стоимостью 14 миллионов долларов. Предложение было принято, и началось строительство обеих систем, а в сентябре 1980 года TMX закрыли для переоборудования.

TMX-U вышел из строя, MFTF законсервирована

MFTF представлял собой ливерморский проект стоимостью 372 миллиона долларов, который был законсервирован.

TMX-U начал эксперименты в июле 1982 года, когда с Боинг 747 . в здании 431 уже были установлены части MFTF размером Однако, когда они попытались поднять плотность плазмы до значений, необходимых для MFTF, они обнаружили, что плазма, выходящая из центрального резервуара, преодолевает тепловые барьеры. Не было никаких очевидных оснований полагать, что то же самое не произойдет с MFTF. Если бы скорости, наблюдаемые в TMX-U, были типичными, MFTF никоим образом не приблизился бы к своим Q. целям

Строительство MFTF, уже заложенное в бюджет, продолжалось, и 21 февраля 1986 года система была официально объявлена ​​завершенной по окончательной цене в 372 миллиона долларов. Поблагодарив команду за вклад в создание системы, новый директор Министерства энергетики Джон Кларк также объявил, что средств для ее запуска не будет. Позже Кларк посетовал, что решение об отмене проекта было очень трудным: «Было бы намного проще, если бы я указал на техническую неисправность».

В течение года он простоял без использования на случай, если будет предоставлено оперативное финансирование. Этого никогда не было. Машина была списана в 1987 году. Министерство энергетики также сократило финансирование большинства других зеркальных программ.

После 1986 года

Газодинамическая ловушка в России.

Исследования магнитных зеркал продолжаются в России, одним из современных примеров является Газодинамическая ловушка , экспериментальная термоядерная машина, используемая в Институте ядерной физики им. Будкера в Академгородке (Академгородке) в Новосибирске (Новая Сибирь), Россия. Эта машина достигла коэффициента бета 0,6 для 5⨉10. ^-3 секунд, при низкой температуре 1 кэВ.

Эта концепция имела несколько технических проблем, включая поддержание немаксвелловского распределения скорости. Это означало, что вместо того, чтобы множество ионов высокой энергии сталкивались друг с другом, энергия ионов растекалась в виде колоколообразной кривой. Затем ионы термализовались, в результате чего большая часть материала оказалась слишком холодной для плавления. Столкновения также настолько разбросали заряженные частицы, что их невозможно было удержать. Наконец, нестабильность пространства скоростей способствовала выходу плазмы .

В сентябре 2022 года из Университета Висконсин-Мэдисон исследователи учредили дочернюю стартап-компанию для Realta Fusion разработки и коммерциализации тандемных зеркальных реакторов для снабжения промышленных технологических процессов теплом на небольших электростанциях. Их заявленная цель — «наименьший капиталоемкий и наименее сложный путь» к термоядерной энергии. В мае 2023 года Министерство энергетики США предоставило компании дополнительное финансирование.

Магнитные зеркала играют важную роль в других типах энергетических устройств магнитного синтеза , таких как токамаки , где тороидальное магнитное поле сильнее на внутренней стороне, чем на внешней стороне. Полученные эффекты известны как неоклассические . Магнитные зеркала также встречаются в природе. Электроны и ионы в магнитосфере , например, будут прыгать взад и вперед между более сильными полями на полюсах, что приводит к радиационным поясам Ван Аллена .

Математический вывод

Зеркальный эффект можно показать математически. Предположим, что магнитный момент адиабатической инвариантности , т.е. что магнитный момент и полная энергия частицы не изменяются. Адиабатическая инвариантность теряется, когда частица занимает нулевую точку или зону отсутствия магнитного поля. Магнитный момент можно выразить как: $$\mu ={\frac {mv_{\perp }^{2}}{2B}}$$

Предполагается, что µ будет оставаться постоянным, пока частица движется в более плотное магнитное поле. Математически для этого необходима скорость, перпендикулярная магнитному полю. $v_{\perp }$ тоже должен подняться. При этом полная энергия частицы ${\mathcal {E}}$ может быть выражено как: $${\mathcal {E}}=q\phi +{\tfrac {1}{2}}mv_{\parallel }^{2}+{\tfrac {1}{2}}mv_{\perp }^{2}$$

В регионах без электрического поля, если полная энергия остается постоянной, скорость, параллельная магнитному полю, должна падать. Если оно может стать отрицательным, то существует движение, отталкивающее частицу от плотных полей.

Зеркальные соотношения

Сами магнитные зеркала имеют зеркальное соотношение , которое математически выражается как: $$r_{\text{mirror}}={\frac {B_{\text{max}}}{B_{\text{min}}}}$$

В то же время частицы внутри зеркала имеют питч-угол . Это угол между вектором скорости частицы и вектором магнитного поля. Удивительно, но частицы с малым питч-углом могут покинуть зеркало. Говорят, что эти частицы находятся в конусе потерь . Отраженные частицы соответствуют следующим критериям: $${\frac {v_{\perp }}{v_{\parallel }}}>{\frac {1}{\sqrt {r_{\text{mirror}}}}}$$

Где $v_{\perp }$ – скорость частицы, перпендикулярная магнитному полю, и $v_{\parallel }$ – скорость частицы, параллельная магнитному полю.

Этот результат был неожиданным, поскольку ожидалось, что более тяжелые и быстрые частицы или частицы с меньшим электрическим зарядом будет труднее отражать. Ожидалось также, что меньшее магнитное поле будет отражать меньше частиц. Однако гирорадиус в этих обстоятельствах также больше, так что радиальная составляющая магнитного поля, видимая частицей, также больше. Действительно, минимальный объем и магнитная энергия больше для случая быстрых частиц и слабых полей, но требуемое зеркальное соотношение остается тем же.

Адиабатическая инвариантность

Свойства магнитных зеркал могут быть получены с использованием адиабатической инвариантности магнитного потока при изменении напряженности магнитного поля. По мере усиления поля скорость увеличивается пропорционально квадратному корню из B, а кинетическая энергия пропорциональна B. Это можно рассматривать как эффективный потенциал, связывающий частицу.

Магнитные бутылки

На этом изображении показано, как заряженная частица будет вращаться вдоль магнитных полей внутри магнитной бутылки, которая представляет собой два магнитных зеркала, расположенных близко друг к другу. Частица может отразиться от области плотного поля и оказаться в ловушке.

Магнитная бутылка представляет собой два магнитных зеркала, расположенных близко друг к другу. Например, две параллельные катушки, разделенные небольшим расстоянием и по которым протекает одинаковый ток в одном направлении, образуют между собой магнитную бутылку. В отличие от машины с полным зеркалом, которая обычно имела множество больших колец тока, окружающих середину магнитного поля, в бутылке обычно имеется только два кольца тока. Частицы вблизи обоих концов бутылки испытывают магнитную силу, направленную к центру области; частицы с соответствующими скоростями неоднократно вращаются по спирали от одного конца области к другому и обратно. Магнитные бутылки можно использовать для временного улавливания заряженных частиц. легче поймать, Электроны чем ионы, потому что электроны намного легче. Этот метод используется для ограничения высокой энергии плазмы в экспериментах по термоядерному синтезу.

Подобным же образом неоднородное магнитное поле Земли улавливает заряженные частицы, исходящие от Солнца, в областях вокруг Земли в форме пончика, называемых радиационными поясами Ван Аллена , которые были открыты в 1958 году с использованием данных, полученных с помощью инструментов на борту спутника «Эксплорер-1» .

Биконические бугорки

Биконический куспид

Основная статья: Биконический выступ

Если один из полюсов в магнитной бутылке поменять местами, он станет биконическим каспом , который также может удерживать заряженные частицы. Биконические каспы впервые были изучены Гарольдом Градом в Курантовском институте , исследования выявили наличие разных типов частиц внутри биконического каспа. Наиболее финансируемым подходом является компактный термоядерный реактор , который компания Lockheed-Martin поддерживала с 2007 года.

См. также

• Полиуэлл
• Магнитная зеркальная точка

Ссылки

Библиография

• Хеппенхаймер, Томас (1984). Искусственное Солнце: В поисках термоядерной энергии . Маленький, Браун. ISBN  9780316357937 .
• Бромберг, Джоан Лиза (сентябрь 1982 г.). Термоядерный синтез: наука, политика и изобретение нового источника энергии . МТИ Пресс. ISBN  9780262521062 .
• Герман, Робин (2006). Термоядерный синтез: поиск бесконечной энергии . Издательство Кембриджского университета. ISBN  9780521024952 .
• Бут, Уильям (9 октября 1987 г.). «Нафталин Fusion стоимостью 372 миллиона долларов» . Наука . 238 (4824): 152–155. Бибкод : 1987Sci...238..152B . дои : 10.1126/science.238.4824.152 . ПМИД   17800453 .

Внешние ссылки

• Конспект лекций Ричарда Фицпатрика