Мэдисонский симметричный тор

МСТ

Мэдисонский симметричный тор
Тип устройства	Пинч обратного поля
Расположение	Мэдисон, Висконсин , США
Принадлежность	Университет Висконсина-Мэдисона
Ссылки
Веб-сайт	Официальный сайт МСТ

Мэдисонский симметричный тор ( MST ) — это эксперимент с пинчем обратного поля (RFP), физический который можно применить как к термоядерной энергии исследованию , так и к астрофизической плазме .

MST расположен в Центре магнитной самоорганизации (CMSO) Университета Висконсин-Мэдисон .

RFP значительно отличаются от токамаков (наиболее популярной схемы магнитного удержания ) тем, что они, как правило, имеют более высокую плотность мощности и лучшие характеристики удержания для данного среднего магнитного поля . В запросах предложений также, как правило, преобладают неидеальные явления и турбулентные эффекты.

Классификация

Геометрия внутри симметричного тора Мэдисона.

MST Как и в большинстве подобных экспериментов, плазма представляет собой тороидальный пинч , что означает, что плазма имеет форму бублика и удерживается магнитным полем, создаваемым протекающим через нее большим током. MST относится к нетрадиционному классу машин, называемому пинчем обращенного поля (RFP). RFP назван так потому, что тороидальное магнитное поле, пронизывающее плазму, самопроизвольно меняет направление вблизи края.

Пинч с обратным полем формируется аналогично другим устройствам с тороидальным пинчем путем пропускания тока через плазму от соответствующей конденсаторной батареи или других сильноточных источников питания. В токамаке тороидальное поле намного сильнее полоидального, а в RFP все наоборот. Фактически, в RFP внешнее тороидальное поле отключается вскоре после запуска.

Плазма в RFP также находится гораздо ближе к стенке, чем в токамаке. Это обеспечивает своеобразное расположение силовых линий магнитного поля, которые «расслабятся» в новое состояние, так что полная магнитная энергия в плазме будет минимизирована, а общая магнитная спиральность сохранится. Релаксированное состояние, называемое состоянием Тейлора, характеризуется своеобразным расположением силовых линий магнитного поля, при котором тороидальное магнитное поле на краю самопроизвольно меняет направление.

Продолжающиеся эксперименты по программе MST

Привод тока колебательного возбуждения

Как и большинство схем тороидального удержания, RFP опирается на кратковременный всплеск тока для создания плазмы и магнитных полей, которые ее удерживают. Но для того, чтобы RFP стал жизнеспособным кандидатом на термоядерную энергию, плазма должна поддерживаться источником постоянного тока. OFCD - это схема создания постоянного тока в релаксированной плазме путем добавления значительных осциллирующих возмущений к тороидальным и полоидальным полям, вносящим в плазму как мощность, так и спиральность. Похожий подход был запатентован и предложен для компактного термоядерного реактора Lockheed-Martin .

Нелинейная реакция в плазме объединяет два колебания таким образом, что в среднем поддерживается устойчивый ток.

Инъекция пеллет

Одна из задач, стоящих перед RFP, заключается в непосредственном подпитывании горячего ядра плазмы, а не в расчете на то, что газообразный дейтерий будет медленно просачиваться с края. Инжектор гранул запускает замороженную гранулу дейтерия в плазму с помощью струи газа или механического удара. гранула испаряется и ионизируется По мере продвижения в ядро ​​плазмы .

Импульсный полоидальный ток

Каждый градиент является источником свободной энергии, особенно если он находится в магнитном поле. В MST ток сильнее в ядре, чем на краю. Этот пиковый профиль тока служит источником свободной энергии для магнитных флуктуаций, кульминацией которых являются сильные события в плазме, называемые пилообразными .

PPCD смягчает этот эффект, пропуская ток по краю плазмы, выравнивая профиль тока. К токам источника питания, возбуждающим тороидальное поле, добавляются небольшие импульсы. Результирующее импульсное тороидальное магнитное поле с помощью закона Фарадея создает полоидальное электрическое поле и, следовательно, полоидальный ток. Изучению этого эффекта и его применению для усиленного удержания посвящено большое количество исследований MST.

Инжекция нейтрального луча

Чтобы инициировать реакцию устойчивого синтеза , обычно необходимо использовать множество методов нагрева плазмы. Инжекция нейтрального луча (NBI) включает в себя инжекцию высокоэнергетического пучка нейтральных атомов , обычно водорода или дейтерия, в ядро ​​плазмы. Эти энергичные атомы передают свою энергию плазме, повышая общую температуру. Инжектированные нейтральные атомы не остаются нейтральными.

Когда луч проходит через плазму, атомы ионизируются, поскольку они отражаются от ионов в плазме. Поскольку магнитное поле внутри тора изогнуто в круг, предполагается, что быстрые ионы будут удерживаться в фоновой плазме. Удерживаемые быстрые ионы замедляются фоновой плазмой точно так же, как сопротивление воздуха замедляет бейсбольный мяч. Передача энергии от быстрых ионов к плазме увеличивает температуру плазмы. Саму форсунку можно увидеть из смотрового окна. Он выглядит как длинный серебряный цилиндр, лежащий на боку, но слегка наклоненный вниз к тору возле задней части машины. Когда инжектор работает в импульсном режиме, напряжение 20 000 вольт ускоряет луч до силы тока около 30 ампер в течение примерно 1,5 миллисекунд.

Проблемы могут возникнуть, если быстрые ионы не будут удерживаться в плазме достаточно долго, чтобы отдать свою энергию. Магнитные флуктуации мешают удержанию плазмы в устройствах этого типа, искажая то, что, как мы надеялись, было хорошо управляемыми магнитными полями. Если быстрые ионы подвержены такому поведению, они могут очень быстро ускользнуть. Однако есть основания полагать, что это не так.

Электронный привод волнового тока Бернштейна

EBW — это аббревиатура от «Электронная волна Бернштейна» и названа в честь физика плазмы Иры Бернштейна .

Волновой режим Бернштейна относится к методу введения энергии ионов или электронов (IBW или EBW) в плазму для повышения ее температуры в попытке достичь условий термоядерного синтеза. Плазма — это фаза вещества, которая возникает естественным образом во время молний и электрических разрядов и которая создается искусственно в термоядерных реакторах для получения чрезвычайно высоких температур.

Это эксперимент по MST для нагрева плазмы и подачи электрического тока внутри плазмы.

Внутри этой машины в плазме существует большой электрический ток; он отвечает за создание необходимых магнитных полей для создания конфигурации пинча с обратным полем. Он также очень быстро нагревает плазму — точно так же, как нагреваются провода внутри тостера. Ваш тостер, вероятно, потребляет ток около 10 ампер, тогда как плазма в MST нагревается до 600 000 ампер. Но даже несмотря на то, что температура плазмы достигает более 10 000 000 градусов по Фаренгейту, она недостаточно горячая для практической термоядерной энергии, и нам необходимо найти другие способы передачи энергии в плазму. EBW — это способ подачи микроволновой энергии для дальнейшего нагрева плазмы. Стандартная микроволновая печь производит около 1 кВт мощности на частоте 2,45 ГГц; эксперимент EBW в настоящее время производит 150 кВт на частоте 3,6 ГГц, и цель команды - повысить мощность до более чем 2 МВт. Для выработки этого типа энергии (при небольшом бюджете) используется списанное военное радиолокационное оборудование и самодельные источники питания.

Вторая (и, возможно, более важная с научной точки зрения) цель эксперимента EBW — подать электрический ток в заданное место внутри плазмы. Основной ток плазмы распределяется естественным образом, и плазма имеет тенденцию концентрировать ток в центре, оставляя меньший ток вблизи края. Это может привести к нестабильности плазмы. Было показано (как теоретически, так и экспериментами с Мэдисонским симметричным тором), что движущий ток на краю делает плазму более устойчивой к флуктуациям магнитного поля, что приводит к лучшему удержанию горячей плазмы и значительно более высокой температуре. Использование EBW для управления этим стабилизирующим током было бы очень важным научным результатом. Возможность очень точно подавать вспомогательный ток дает нам возможность оптимизировать наши схемы управления током. Нагрев также очень локализован, что позволяет нам изучить, насколько горячей (по крайней мере локально) может стать плазма в рамках этой схемы магнитного удержания — в терминах физики плазмы это называется поиском бета-предела. Это вопрос без ответа для RFP, и он даст представление о том, можно ли масштабировать машину этого типа до экономичного и эффективного термоядерного реактора.

Зонд с пучком тяжелых ионов

Зонд с пучком тяжелых ионов (HIBP) запускает ионы калия в плазму. Измеряя их траекторию , мы получаем профиль нескольких ключевых свойств внутри плазмы.

Этот универсальный диагностический инструмент использовался в экспериментах по термоядерному синтезу с магнитным удержанием для определения электрического потенциала , плотности электронов, температуры электронов и векторного магнитного потенциала плазмы.

Поток ионов натрия (первичный пучок) инжектируется из ионной пушки через магнитное поле в плазму. Когда однозарядные частицы проходят через плазму, они дополнительно ионизируются, создавая двухзарядный вторичный луч.

Затем вторичные компоненты обнаруживаются и анализируются вне плазмы. Изгибая траектории, магнитное поле отделяет вторичные ионы от первичных ионов. Из-за этого только вторичные частицы, ионизированные в данном положении плазмы, достигают данного места детектора. Это позволяет HIBP выполнять измерения, локализованные в положении ионизации. Вторичный ток связан с локальной плотностью электронов и сечением ионизации первичных ионов, которое само по себе является функцией температуры электронов. Электрический потенциал можно получить из разницы энергий между первичными и вторичными ионными пучками. Энергию вторичного пучка можно определить по углу, под которым он входит в энергоанализатор.

Система MST-HIBP состоит из:

1. Электростатический ускоритель на 200 кэВ, формирующий, фокусирующий и ускоряющий диагностический ионный пучок;
2. Первичные и вторичные лучи с системами развертки, обеспечивающими передачу и управление лучом;
3. Электростатический анализатор , измеряющий энергию, интенсивность и положение вторичного луча;
4. Вспомогательные компоненты и системы, включающие в себя детекторы первичного луча, структуры подавления плазмы/УФ-излучения и т. д.

Система поляриметрии-интерферометрии дальнего инфракрасного диапазона

FIR, или дальний инфракрасный диапазон , относится к свету с длиной волны от 1 до 10 мм. FIR-система в MST основана на FIR-лазерах, расположенных в комнате безопасности для лазеров бежевого цвета справа от показанного изображения, в коридоре второго этажа.

В системе четыре FIR-лазера. Один из них — CO ₂ -лазер , который производит непрерывную мощность около 120 Вт. Затем этот луч разделяется на три части. Каждый луч оптически накачивает лазер на парах муравьиной кислоты , работающий на длине волны 432,6 мм и мощности около 20 мВт. Система FIR имеет два режима работы: интерферометрический и поляриметрический.

Что измеряет диагностическая система FIR?

Плотность электронов, плотность плазменного тока и магнитное поле являются тремя важными параметрами плазмы МСТ.Система FIR используется для измерения их пространственного и временного распределения.

Как работает FIR-интерферометрия?

Как и стекло, плазма имеет показатель преломления, отличный от показателя преломления вакуума (или воздуха), который зависит от плотности электронов плазмы.

Мы посылаем один лазерный луч через плазму (зондирующий луч), другой через воздух (опорный луч) и измеряем разность фаз между ними. Эта экспериментальная конфигурация называется интерферометром Маха-Цендера. Измеренная фаза пропорциональна средней плотности электронов плазмы на пути луча.

В MST мы посылаем несколько зондирующих лучей (синие линии на рисунке) через плазму под разными радиусами. Затем мы применяем технику инверсии Абеля, чтобы получить профиль электронной плотности плазмы.

Как работает FIR поляриметрия?

Плазма также является оптически активной средой, то есть, когда линейно поляризованная электромагнитная волна распространяется параллельно (или антипараллельно) магнитному полю, поляризация волны, выходящей из плазмы, будет поворачиваться на небольшой угол.

Это называется вращением Фарадея, а угол называется углом вращения Фарадея. Система FIR измеряет фарадеевское вращение, которое пропорционально среднему значению плотности электронов , умноженному на компонент магнитного поля, параллельный траектории луча.

Причина фарадеевского вращения заключается в следующем: при распространении линейно поляризованной волны вдоль силовой линии магнитного поля она разлагается на лево- и правополяризованные составляющие. Разность фаз между ними при выходе из плазмы заставляет рекомбинированную линейно поляризованную волну поворачивать направление поляризации. В MST мы запускаем две распространяющиеся навстречу друг другу волны для исследования плазмы. Затем мы измеряем разность фаз между этими двумя лучами, которая будет равна удвоенному углу фарадеевского вращения.

На рисунке каждый из 11 синих зондирующих лучей представляет собой комбинацию двух вращающихся в противоположных направлениях лучей с круговой поляризацией, измеряющих углы фарадеевского вращения вдоль тех же хорд, что и интерферометр . Объединенные фазы интерферометра и углы вращения Фарадея затем можно объединить для определения полоидального распределения магнитного поля. Используя закон Ампера , можно также определить тороидальный ток плазмы.

Насколько хорошо работает диагностическая система FIR?

Система FIR для MST очень точна. Угол вращения Фарадея для плазмы MST обычно находится в пределах 5 градусов. Чтобы измерить такой слабый сигнал, мы достигли точности 0,06 градуса. Временное разрешение составляет менее 1 микросекунды.

Какие темы исследований связаны с FIR?

FIR является важным инструментом для большинства тем исследований в области MST, поскольку он предоставляет информацию об основных параметрах плазмы. Система измеряет плотность электронов, тороидальный ток, полоидальное магнитное поле и пространственные профили каждого из них.

В настоящее время мы изучаем возможность измерения тороидального магнитного поля и полоидального тока плазмы с помощью эффекта двойного лучепреломления плазмы или эффекта Коттона-Мутона. Когда линейно поляризованная ЭМ волна распространяется перпендикулярно магнитному полю, показатель преломления зависит от того, параллельна или перпендикулярна поляризация волны направлению магнитного поля.

Почему стоит выбрать FIR-лазеры?

Для плазменной поляриметрии -интерферометрии длина волны, которую мы выбрали, достаточно длинная, чтобы обеспечить измеримые фазовые изменения, индуцированные плазмой, но достаточно короткая, чтобы избежатьсложные плазменно-волновые взаимодействия, включая изгиб пучка. В этом диапазоне длин волн доступно множество мощных молекулярных лазерных линий и множество коммерчески доступных детекторов.

Томсоновское рассеяние

Что такое томсоновское рассеяние?

Томсоновское рассеяние — это результат столкновения фотона (электромагнитной волны) и заряженной частицы, например электрона. Когда электрон и фотон «сталкиваются», электрон ощущает силу Лоренца от колеблющихся электрического и магнитного полей фотона и ускоряется. Это ускорение заставляет электрон испускать другой фотон в другом направлении. Длина волны этого излучаемого фотона смещена по сравнению с длиной волны падающего фотона на величину, зависящую от энергии электрона. Другой взгляд на это заключается в том, что электрон поглощает энергию фотона и повторно излучает энергию в виде другой электромагнитной волны. Такое рассеяние фотона на электроне называется томсоновским рассеянием.

Чем томсоновское рассеяние полезно для физиков плазмы?

Поскольку длина волны рассеянного фотона зависит от энергии рассеивающего электрона, томсоновское рассеяние является хорошим способом измерения энергии электрона. Это делается путем создания фотона известной длины волны и измерения длины волны рассеянного фотона. В конфигурации Thomson Scattering в MST используется лазерная система Nd:YAG с длиной волны 1064 нм , которая обеспечивает лучшие в мире показания электронной температуры с временным разрешением. Мы создаем наши фотоны с помощью мощных лазеров, которые светим в окно в верхней части MST, и собираем рассеянные фотоны с помощью большой собирающей линзы на боковой стороне MST.

Распределение рассеянных фотонов по длинам волн говорит нам об энергетическом распределении электронов в плазме, давая нам прямой и ненавязчивый способ получить температуру электронов. Количество фотонов, которые мы на самом деле собираем, также может сказать нам кое-что о плотности электронов в плазме.

Спектроскопия перезарядной рекомбинации и ионная доплеровская спектроскопия

Термоядерная плазма обычно генерируется в результате ионизации нейтрального газа. В большинстве случаев дейтерий в качестве плазменного топлива используется . Таким образом, эта плазма в основном состоит из ионов дейтерия (плюс электронов), и необходимо диагностировать поведение этих ионов, чтобы понять соответствующую физику плазмы. Однако в любом термоядерном устройстве присутствуют и другие типы ионов («примеси»). Они существуют естественным образом из-за невозможности достичь идеального вакуума в термоядерном реакторе перед загрузкой топлива. Таким образом, такие материалы, как водяной пар , азот и углерод, будут обнаружены в небольших количествах в типичных плазменных разрядах. Примеси также могут образовываться во время плазменных разрядов из-за взаимодействия плазмы со стенками.

Эти взаимодействия в первую очередь приводят к выбросу материала из стенки в плазму посредством распыления. В Мэдисонском симметричном торе (MST) свойства примесных ионов (например, углерода, кислорода и т. д.) тесно связаны со свойствами ионов дейтерия в результате сильного взаимодействия между видами ионов. Таким образом, измерения ионов примесей в принципе могут дать прямую информацию об ионах дейтерия. Измерения температуры примесных ионов ( Ti ₎ и скорости потока ( vi ₎ проводятся с помощью MST с использованием спектроскопии рекомбинации заряда или CHERS.

Процесс CHERS можно разбить на два отдельных этапа: обмен зарядом и радиационный распад. На первом этапе электрон переносится от нейтрального атома (например, дейтерия) к примесному иону, не имеющему электронов (например, C ⁺⁶ ).Во время этого переноса электрон обычно попадает в возбужденное состояние (высокий энергетический уровень) примесного иона. Когда электрон распадается до основного состояния (уровень минимальной энергии), сохранение энергии требует испускания излучения примесным ионом. Это излучение имеет дискретные значения энергии или длины волны, которые соответствуют разнице энергий между начальным и конечным атомными уровнями конкретного электронного перехода. Например, рассмотрим перезарядку между атомом дейтерия и C ⁺⁶ ион: если электрон переводится на энергетический уровень n =7 иона углерода, то ион будет излучать с дискретными энергиями, определяемыми разницей в энергии между уровнями n =7 и n =6, n =6 и уровни n =5, уровни n =5 и n =4 и так далее (вплоть до n=1 ). Эта линия излучения имеет доплеровское уширение в результате теплового движения ионов и доплеровское смещение в результате потока ионов. Доплеровский сдвиг приводит к смещению излучения в синий цвет (в сторону более короткой длины волны/более высокой частоты), если ионы движутся к точке наблюдения, или в красный цвет (в сторону более длинных волн/более низкой частоты), если поток удаляется от точки. наблюдения. Поэтому измерения формы эмиссионной линии углерода используются для получения значений температуры и скорости примесных ионов.

Обмен зарядов : H + C ⁺⁶ →

ЧАС ⁺¹ + С ⁺⁵ ( n=7 , l=6 )

Радиационный распад : C ⁺⁵ ( n=7 , l=6 ) →

С ⁺⁵ ( n=6 , l=5 ) + h (фотон)

В типичном термоядерном устройстве плотность нейтральных атомов мала. Поэтому количество излучаемого излучения, возникающего в результате перезарядки между ионами примеси и нейтралами, также невелико. В MST нейтральная плотность увеличивается за счет инъекции быстрых атомов водорода с помощью диагностического нейтрального пучка (DNB). В результате излучаемое излучение сильно увеличивается, но в основном по пути инжекции пучка (ДНБ расположен под палубой и отсюда не виден; путь инжекции идет справа налево поперек плазмы).Перпендикулярно траектории луча имеется ряд оптических портов для просмотра плазмы в разных радиальных положениях. Для данного плазменного разряда система пучков волокон размещается на одном из этих портов и используется для сбора излучения вдоль прямой видимости (черные трубки наверху машины содержат оптику для сбора света; волокна размещаются в длинных , изогнутая белая трубка, когда она не используется). Это излучение отправляется в спектрометр , где оно рассеивается в конечном диапазоне длин волн, который сосредоточен на интересующей линии излучения, с помощью пары оптических решеток. Однако, поскольку в собранном излучении преобладает излучение вдоль траектории луча, измерения эффективно локализуются в объеме пересечения между изображением волокна и лучом. На МСТ этот объем пересечения небольшой (~ 2 см ³ по сравнению с объемом плазмы, что позволяет получить измерения vi _Ti с пространственным ₎ и разрешением. Данные, собранные из ряда плазменных разрядов, для которых варьируется расположение системы пучков волокон, используются для построения радиальных профилей температуры и скорости ионов примеси, предоставляя важную информацию для понимания физики плазмы в MST. Типичные температуры ионов, измеренные CHERS на MST, находятся в диапазоне от 100 до 800 эВ (от 2 до 17 миллионов градусов по Фаренгейту), в зависимости от положения в плазме и типа разряда. Аналогично, измеренные равновесные скорости ионов составляют порядка 1000–10 000 метров в секунду.