Конфигурация с обращенным полем Принстона

Конфигурация обращенного поля Принстона ( PFRC ) — это серия экспериментов по физике плазмы , экспериментальная программа для оценки конфигурации термоядерного энергетического реактора в Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL). В эксперименте исследуется динамика длинноимпульсных бесстолкновительных ^{[ 1 ]} низкий s-параметр ^{[ 2 ]} Конфигурации с обращенным полем (FRC), образованные вращающимися магнитными полями нечетной четности. ^{[ 3 ]}^{[ 4 ]} FRC являются развитием оригинальной идеи греческого инженера Николаса Христофилоса об E-слоях, которую он разработал для термоядерного реактора Astron . ^{[ 5 ]} Программа PFRC направлена на экспериментальную проверку предсказаний физики о том, что такие конфигурации глобально стабильны и имеют уровни переноса, сравнимые с классической магнитной диффузией. ^{[ 2 ]} Компания также стремится применить эту технологию к концепции Direct Fusion Drive для приведения в движение космических кораблей. ^{[ 6 ]}

История

Первоначально PFRC финансировался Министерством энергетики США . На раннем этапе своей работы он был современником таких RMF-FRC, как эксперимент по поддержанию трансляционного ограничения (TCS) и Prairie View Rotamak (PV Rotamak).

В PPPL эксперимент PFRC-1 проводился с 2008 по 2011 год. ^{[ 7 ]} ПФРК-2 работает с 2023 года. ^[update]. Следующим запланирован PFRC-3. ПФРК-4 запланирован на конец 2020-х годов. ^{[ 7 ]}

По состоянию на 2023 год ^[update] слияние достигнуто не было.

Эксперименты и результаты

В экспериментах PFRC-1 и PFRC-2 электроны нагрелись до энергии, превышающей 100 эВ, и длительности плазмы до 300 мс, что составляет более 10 эВ. ⁴ раз превышает прогнозируемое время роста неустойчивости наклона. ^{[ 8 ]}

ПФРК-1

ПФРК-2

Результаты экспериментов ПФРК-2 ^{[ 8 ]}
Параметр	Ценить
Длина импульса	300 мс
Напряженность магнитного поля	до 350 Гс (вакуум)
Частота RMF	2–14 МГц
РМФ Мощность	до 200 кВт
РМФ Муфта	60%
Температура плазмы	100 эВ э- на частоте 4,3 МГц
Радиус плазмы	8 см
Электронная плотность	10 ¹³ /cc
Газ	H ₂ , He, Ne, Ar
Исключенный поток	0,6 мВс
Время удержания энергии	5х10 ^-5 с

Вращающееся магнитное поле нечетной четности

Электрический ток, который образует конфигурацию с обращенным полем (FRC) в PFRC, приводится в движение вращающимся магнитным полем (RMF). Этот метод хорошо изучен и дал положительные результаты в серии экспериментов Ротамак. ^{[ 9 ]} Однако вращающиеся магнитные поля, применяемые в этих и других экспериментах (так называемые RMF четности ), вызывают открытие силовых линий магнитного поля. Когда поперечное магнитное поле прикладывается к осесимметричному равновесному магнитному полю FRC, вместо того, чтобы линии магнитного поля замыкались сами на себя и образовывали замкнутую область, они вращались по спирали в азимутальном направлении и в конечном итоге пересекали поверхность сепаратрисы, которая содержит замкнутую область FRC. ^{[ 3 ]}

В PFRC используются антенны RMF, которые создают магнитное поле, которое меняет направление относительно плоскости симметрии, ориентированной нормалью вдоль оси, на полпути вдоль длины оси машины. Эта конфигурация называется вращающимся магнитным полем нечетной четности (ВМП _o ). Такие магнитные поля, добавленные в небольшой величине к осесимметричным равновесным магнитным полям, не вызывают раскрытия силовых линий магнитного поля, и общая топология сохраняется. ^{[ 3 ]} Критическая пороговая величина вращающегося магнитного поля «нечетной четности», которое открывает осесимметричные равновесные силовые линии магнитного поля и фундаментально меняет топологию поля, довольно высока. ^{[ 10 ]} Таким образом, ожидается, что RMF не будет способствовать переносу частиц и энергии из ядра PFRC.

Низкий s-параметр

В FRC название s-параметра присваивается отношению расстояния между магнитным нулем и сепаратрисой и ларморовского радиуса теплового иона. Именно столько ионных орбит может поместиться между ядром FRC и местом, где он встречается с объемной плазмой. ^{[ 2 ]} FRC с высоким значением S будет иметь очень малый ионный гирорадиус по сравнению с размером машины. Таким образом, при высоких s-параметрах применима модель магнитогидродинамики ( МГД). ^{[ 11 ]} MHD предсказывает, что FRC неустойчив в «режиме наклона n = 1», в котором обращенное поле наклоняется на 180 градусов, чтобы совместиться с приложенным магнитным полем, разрушая FRC.

Прогнозируется, что FRC с низким значением будет устойчивым к режиму наклона. ^{[ 11 ]} Для этого эффекта достаточно s-параметра, меньшего или равного 2. Однако только два ионных радиуса между горячим ядром и холодным объемом означают, что в среднем только два периода рассеяния (изменения скорости в среднем составляют 90 градусов) достаточны для удаления горячего иона, имеющего отношение к термоядерному синтезу, из ядра плазмы. Таким образом, выбор делается между ионами с высоким s-параметром, которые классически хорошо удерживаются, но конвективно плохо удерживаются, и ионами с низким s-параметром, которые классически плохо удерживаются, но конвективно хорошо удерживаются.

PFRC имеет s-параметр между 1 и 2. ^{[ 2 ]} Прогнозируется, что стабилизация режима наклона будет способствовать удержанию в большей степени, чем небольшое количество допустимых столкновений повредит удержанию.

Движение космического корабля

Ученые из Princeton Satellite Systems работают над новой концепцией под названием Direct Fusion Drive (DFD), которая основана на PFRC, но имеет один открытый конец, через который проходят выхлопные газы для создания тяги. ^{[ 7 ]} Он будет производить электроэнергию и движение от одного компактного термоядерного реактора. Первое концептуальное исследование и моделирование (Фаза I NASA NIAC) было опубликовано в 2017 году. ^{[ 12 ]} и был предложен для питания двигательной установки орбитального корабля и спускаемого аппарата Плутона . ^{[ 12 ]}^{[ 13 ]} Добавление топлива в поток холодной плазмы приводит к созданию переменной тяги при прохождении через магнитное сопло. Моделирование предполагает, что DFD может производить 5 Ньютонов тяги на каждый мегаватт вырабатываемой термоядерной энергии. ^{[ 14 ]} Около 35% термоядерной энергии идет на тягу, 30% на электроэнергию, 25% теряется на тепло и 10% рециркулируется на радиочастотный (РЧ) нагрев. ^{[ 12 ]} Эта концепция получила статус «Фаза II» для дальнейшего совершенствования конструкции и защиты. ^{[ 15 ]}

Ссылки

^ Коэн, ЮАР; Берлингер, Б.; Брункхорст, К.; Брукс, А.; Ферраро, Н.; Лундберг, ДП; Роуч, А.; Глассер, АХ (2007). «Формирование бесстолкновительной плазмы с высоким β вращающимися магнитными полями нечетной четности». Письма о физических отзывах . 98 (14): 145002. Бибкод : 2007PhRvL..98n5002C . дои : 10.1103/physrevlett.98.145002 . ПМИД 17501282 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д Коэн, Сэмюэл А. (4 июня 2008 г.). «Конфигурация с обратным полем: вклад сообщества в FESAC» (PDF) . General Atomics Исследования в области термоядерной энергетики . Дженерал Атомикс . Проверено 11 декабря 2015 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с Коэн, ЮАР; Милрой, Р.Д. (1 июня 2000 г.). «Поддержание замкнутой топологии линий магнитного поля в обращенной конфигурации поля с добавлением статических поперечных магнитных полей». Физика плазмы . 7 (6): 2539–2545. Бибкод : 2000PhPl....7.2539C . дои : 10.1063/1.874094 . ISSN 1070-664X .
^ Глассер, Ага ; Коэн, С.А. (1 мая 2002 г.). «Ускорение ионов и электронов в обращенной конфигурации с вращающимся магнитным полем нечетной четности» . Физика плазмы . 9 (5): 2093–2102. Бибкод : 2002ФПл....9.2093Г . дои : 10.1063/1.1459456 . ISSN 1070-664X .
^ Рейндерс, ЖЖ (2021). Сказка о ядерном синтезе . Чам: Международное издательство Springer. п. 83. дои : 10.1007/978-3-030-64344-7 . ISBN 978-3-030-64343-0 . S2CID 241339825 .
^ Палушек, Майкл; Томас, Стефани (01 февраля 2019 г.). «Прямой термоядерный привод» . Принстонские спутниковые системы . Проверено 17 июня 2019 г.
^ Jump up to: ^а ^б ^с Уолл, Майк (11 июня 2019 г.). «Космический корабль с термоядерным двигателем может появиться всего через десять лет» . Space.com . Будущие США . Проверено 17 июня 2019 г.
^ Jump up to: ^а ^б Галеа, Кристофер; Томас, Стефани; Палушек, Майкл; Коэн, Сэмюэл (15 января 2023 г.). «Принстонская конфигурация с обращенным полем для компактных термоядерных электростанций». Журнал термоядерной энергетики . 42 (4). дои : 10.1007/s10894-023-00342-2 . ОСТИ 1957531 . S2CID 256392939 .
^ Джонс, Юан Р. (1 мая 1999 г.). «Обзор привода тока вращающимся магнитным полем и работы ротамака в конфигурации с обращенным полем (Ротамак-FRC) и сферическом токамаке (Ротамак-СТ)». Физика плазмы . 6 (5): 1950–1957. Бибкод : 1999PhPl....6.1950J . дои : 10.1063/1.873452 . ISSN 1070-664X .
^ Ахсан, Т.; Коэн, ЮАР (июль 2022 г.). «Аналитический подход к оценке замыкания магнитного поля и топологических изменений в устройствах FRC» . Физика плазмы . 29 (7): 072507. Бибкод : 2022ФПл...29г2507А . дои : 10.1063/5.0090163 . S2CID 251140943 .
^ Jump up to: ^а ^б Барнс, Дэниел К.; Шварцмайер, Джеймс Л.; Льюис, Х. Ральф; Сейлер, Чарльз Э. (1 августа 1986 г.). «Кинетическая устойчивость к наклону конфигураций с обращенным полем». Физика жидкостей . 29 (8): 2616–2629. Бибкод : 1986PhFl...29.2616B . дои : 10.1063/1.865503 . ISSN 0031-9171 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с Томас, Стефани (2017). «Орбитальный аппарат и спускаемый аппарат Плутона с поддержкой термоядерного синтеза - итоговый отчет фазы I» (PDF) . Сервер технических отчетов НАСА . Принстонские спутниковые системы . Проверено 14 июня 2019 г.
^ Холл, Лора (5 апреля 2017 г.). «Орбитальный аппарат и спускаемый аппарат Плутона с поддержкой термоядерного синтеза» . НАСА . Проверено 14 июля 2018 г.
^ Томас, Стефани Дж.; Палушек, Майкл; Коэн, Сэмюэл А.; Глассер, Александр (2018). Ядерная и будущая летная двигательная установка – моделирование тяги двигателя прямого термоядерного синтеза . Совместная конференция по двигательной активности 2018 года. Цинциннати, Огайо: Американский институт аэронавтики и астронавтики. дои : 10.2514/6.2018-4769 . Проверено 14 июня 2019 г.
^ Томас, Стефани (2019). «Орбитальный аппарат и спускаемый аппарат Плутона с поддержкой термоядерного синтеза - итоговый отчет фазы II NIAC» . Сервер технических отчетов НАСА . Принстонские спутниковые системы . Проверено 11 июля 2023 г.

Внешние ссылки

Официальный сайт Принстонской лаборатории физики плазмы.
Профессор Сэмюэл А. Коэн

[1] Коэн, ЮАР; Берлингер, Б.; Брункхорст, К.; Брукс, А.; Ферраро, Н.; Лундберг, ДП; Роуч, А.; Глассер, АХ (2007). «Формирование бесстолкновительной плазмы с высоким β вращающимися магнитными полями нечетной четности». Письма о физических отзывах . 98 (14): 145002. Бибкод : 2007PhRvL..98n5002C . дои : 10.1103/physrevlett.98.145002 . ПМИД 17501282 .

[:0-2] Jump up to: ^а ^б ^с ^д Коэн, Сэмюэл А. (4 июня 2008 г.). «Конфигурация с обратным полем: вклад сообщества в FESAC» (PDF) . General Atomics Исследования в области термоядерной энергетики . Дженерал Атомикс . Проверено 11 декабря 2015 г.

[:1-3] Jump up to: ^а ^б ^с Коэн, ЮАР; Милрой, Р.Д. (1 июня 2000 г.). «Поддержание замкнутой топологии линий магнитного поля в обращенной конфигурации поля с добавлением статических поперечных магнитных полей». Физика плазмы . 7 (6): 2539–2545. Бибкод : 2000PhPl....7.2539C . дои : 10.1063/1.874094 . ISSN 1070-664X .

[4] Глассер, Ага ; Коэн, С.А. (1 мая 2002 г.). «Ускорение ионов и электронов в обращенной конфигурации с вращающимся магнитным полем нечетной четности» . Физика плазмы . 9 (5): 2093–2102. Бибкод : 2002ФПл....9.2093Г . дои : 10.1063/1.1459456 . ISSN 1070-664X .

[5] Рейндерс, ЖЖ (2021). Сказка о ядерном синтезе . Чам: Международное издательство Springer. п. 83. дои : 10.1007/978-3-030-64344-7 . ISBN 978-3-030-64343-0 . S2CID 241339825 .

[6] Палушек, Майкл; Томас, Стефани (01 февраля 2019 г.). «Прямой термоядерный привод» . Принстонские спутниковые системы . Проверено 17 июня 2019 г.

[PFRCschedule-7] Jump up to: ^а ^б ^с Уолл, Майк (11 июня 2019 г.). «Космический корабль с термоядерным двигателем может появиться всего через десять лет» . Space.com . Будущие США . Проверено 17 июня 2019 г.

[JOFE-8] Jump up to: ^а ^б Галеа, Кристофер; Томас, Стефани; Палушек, Майкл; Коэн, Сэмюэл (15 января 2023 г.). «Принстонская конфигурация с обращенным полем для компактных термоядерных электростанций». Журнал термоядерной энергетики . 42 (4). дои : 10.1007/s10894-023-00342-2 . ОСТИ 1957531 . S2CID 256392939 .

[9] Джонс, Юан Р. (1 мая 1999 г.). «Обзор привода тока вращающимся магнитным полем и работы ротамака в конфигурации с обращенным полем (Ротамак-FRC) и сферическом токамаке (Ротамак-СТ)». Физика плазмы . 6 (5): 1950–1957. Бибкод : 1999PhPl....6.1950J . дои : 10.1063/1.873452 . ISSN 1070-664X .

[10] Ахсан, Т.; Коэн, ЮАР (июль 2022 г.). «Аналитический подход к оценке замыкания магнитного поля и топологических изменений в устройствах FRC» . Физика плазмы . 29 (7): 072507. Бибкод : 2022ФПл...29г2507А . дои : 10.1063/5.0090163 . S2CID 251140943 .

[:2-11] Jump up to: ^а ^б Барнс, Дэниел К.; Шварцмайер, Джеймс Л.; Льюис, Х. Ральф; Сейлер, Чарльз Э. (1 августа 1986 г.). «Кинетическая устойчивость к наклону конфигураций с обращенным полем». Физика жидкостей . 29 (8): 2616–2629. Бибкод : 1986PhFl...29.2616B . дои : 10.1063/1.865503 . ISSN 0031-9171 .

[PSS-12] Jump up to: ^а ^б ^с Томас, Стефани (2017). «Орбитальный аппарат и спускаемый аппарат Плутона с поддержкой термоядерного синтеза - итоговый отчет фазы I» (PDF) . Сервер технических отчетов НАСА . Принстонские спутниковые системы . Проверено 14 июня 2019 г.

[13] Холл, Лора (5 апреля 2017 г.). «Орбитальный аппарат и спускаемый аппарат Плутона с поддержкой термоядерного синтеза» . НАСА . Проверено 14 июля 2018 г.

[Phase_II-14] Томас, Стефани Дж.; Палушек, Майкл; Коэн, Сэмюэл А.; Глассер, Александр (2018). Ядерная и будущая летная двигательная установка – моделирование тяги двигателя прямого термоядерного синтеза . Совместная конференция по двигательной активности 2018 года. Цинциннати, Огайо: Американский институт аэронавтики и астронавтики. дои : 10.2514/6.2018-4769 . Проверено 14 июня 2019 г.

[15] Томас, Стефани (2019). «Орбитальный аппарат и спускаемый аппарат Плутона с поддержкой термоядерного синтеза - итоговый отчет фазы II NIAC» . Сервер технических отчетов НАСА . Принстонские спутниковые системы . Проверено 11 июля 2023 г.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]

[ 9 ]

[ 10 ]

[ 11 ]

[ 12 ]

[ 13 ]

[ 14 ]

[ 15 ]