Неровный тор
Неровный тор — это класс энергетических устройств магнитного синтеза , которые состоят из серии магнитных зеркал, соединенных встык и образующих закрытый тор. Он основан на Открытие было сделано группой под руководством Рэя Дэндла в Национальной лаборатории Ок-Ридж в 1960-х годах. [1]
Основным недостатком классической конструкции магнитного зеркала является чрезмерная утечка плазмы через два конца. Неровный тор решает эту проблему, соединяя несколько зеркал вместе, так что топливо, вытекающее из одного зеркала, попадает в другое. Его называют «ухабистым», потому что топливные ионы, составляющие плазму, имеют тенденцию концентрироваться внутри зеркал с большей плотностью, чем токи утечки между зеркальными ячейками. Альтернативное описание состоит в том, что магнитное поле между зеркалами уже, чем в центре каждого сегмента. [2] Такая конструкция сама по себе нестабильна, и в большинстве конструкций неровных торов для создания стабильного поля внутри реактора используются вторичные поля или релятивистские электроны.
Конструкции ухабистого тора были областью активных исследований, начиная с 1960-х годов и продолжавшихся до 1986 года с ( EL ectro Magnetic Orbit ) ELMO Bumpy Torus в Национальной лаборатории Ок-Ридж . [3] Один, в частности, был описан: «Представьте себе серию машин с магнитными зеркалами, соединенных встык и скрученных в тор. Ион или электрон, вытекший из одной зеркальной полости, попадает в другую зеркальную ячейку. Это представляет собой неровный тор. ." [4] Это продемонстрировало проблемы, и большинство исследований этой концепции закончилось.
Фон
[ редактировать ]Простые зеркала
[ редактировать ]Магнитное зеркало является одной из самых простых магнитного термоядерного синтеза по физической сложности машин . Он состоит в основном из цилиндра с мощными магнитами на каждом конце, хотя на практике цилиндрическая часть (технически соленоид ) покрыта менее мощными магнитами для лучшего формирования поля. Получающееся магнитное поле имеет форму, примерно напоминающую внешнюю часть сигары: широкое в центре цилиндра и суженное с обоих концов.
Плазма состоит из газа заряженных частиц, электронов и ядер (ионов) используемого термоядерного топлива. В присутствии магнитного поля заряженные частицы вращаются вокруг силовых линий. Они также переносят весь свой импульс вдоль силовой линии, поэтому на практике результирующее движение представляет собой спираль с центром на магнитной линии.
Зеркало работает за счет того, что это движение «захватывается» на обоих концах цилиндра. Когда ионы приближаются к концам, другие магнитные линии сходятся в том же месте, создавая возрастающее поле. При правильном наборе условий ион изменит свое движение, по сути, отскакивая от возрастающего поля, отсюда и название «зеркало». В течение макроскопического времени отдельные ионы прыгают взад и вперед между двумя катушками зеркала, оставаясь заключенными внутри устройства.
Для любого данного расположения поля всегда остаются некоторые силовые линии, которые не искривляются по мере приближения к концам, в первую очередь линии, проходящие по центру зеркала. Ионы, вращающиеся вокруг этих линий, могут ускользнуть. Кроме того, при любой заданной магнитной силе всегда найдутся частицы, у которых будет достаточно энергии, чтобы они не отражались, и они тоже улетят. Расчеты показали, что скорость утечки будет достаточно низкой, чтобы позволить реактору работать долго.
Минимум Б
[ редактировать ]В самом начале программы управляемого термоядерного синтеза было указано, что такое устройство имеет естественную нестабильность структуры магнитного поля. В любой области, где поле имеет выпуклость, ионы имеют естественную тенденцию двигаться за пределы своей первоначальной траектории при столкновении. В результате этого движения они перемещаются наружу через зону заключения. Когда достаточное количество ионов делают это в какой-либо конкретной области, их электрический заряд изменяет магнитное поле таким образом, что еще больше увеличивает кривизну, вызывая эффект убегания, который приводит к вытеканию плазмы из области удержания. Эта проблема стала известна как нестабильность обмена и оказалась присущей всем зеркалам конца 1950-х годов.
Нестабильность обмена была вызвана выпуклыми областями магнитных полей, и исследователи в Великобритании быстро показали, что верно и обратное: в вогнутом поле, когда плазма находится «внутри» вогнутости, она будет естественно стабильной. . Это стало известно как «минимальная конфигурация B». На самом деле создать такое полевое устройство, не допускающее утечки топлива по другим причинам, сложно, но к середине 1960-х годов появилось несколько многообещающих проектов, в частности, конфигурация «теннисный мяч» или «бейсбол», а позже и концепция инь-ян. Все они имели тот недостаток, что были намного более сложными, а также большими для любого заданного объема плазмы, что отрицательно сказывалось на ценовых характеристиках конструкции.
Неровный тор
[ редактировать ]Неровный тор - это попытка исправить проблемы зеркала, связанные как с нестабильностью обмена, так и с его естественной утечкой через торцы.
Чтобы контролировать утечку, несколько зеркал были соединены встык. Само по себе это не уменьшало утечку, а означало, что частицы просачивались в другое зеркало. На первый взгляд это может показаться очевидным, но проблема такого подхода в том, что результирующее магнитное поле больше не линейно вдоль оси, а искривлено, что увеличивает скорость взаимообменной нестабильности. Однако, если рассматривать машину в целом, а не рассматривать одну зеркальную ячейку, общее поле можно представить как чистую конфигурацию минимума B. [5]
Результирующее поле неровного тора подвержено другой проблеме — режиму резистивного раздувания . Команда ELMO в Национальной лаборатории Ок-Ридж предложила контролировать это путем введения высокоэнергетических («горячих») электронов в пространство между внешней стороной удерживающего поля зеркала и внешней частью самого реактора. Эти электроны будут создавать второе магнитное поле, которое оттолкнет естественное поле зеркала от стенок реактора и изменит поле в целом, чтобы уменьшить режим раздувания. [5]
ЭЛМО
[ редактировать ]Первый образец конструкции ухабистого тора был построен как ELMO в Национальной лаборатории Ок-Ридж в 1972 году. [6] Поначалу конструкция демонстрировала многообещающие результаты, но по мере добавления новых диагностических систем стало ясно, что система работает не так, как задумано. В частности, концепция электронной оболочки оказалась далеко не такой мощной, как предполагалось, и, что усугубило проблемы, система микроволнового нагрева оказалась гораздо более низкой эффективностью, чем ожидалось. [5]
Похожая система была построена в Нагое , где прямое измерение магнитного поля показало, что только несколько процентов поля, создаваемого электронами, достигают внутренней части области удержания, чего недостаточно, чтобы компенсировать нестабильность. В 1988 году обзор всей области показал, что удержание электронов просто не создает необходимых условий, и дальнейший интерес к этой концепции прекратился. [5]
Ссылки
[ редактировать ]Цитаты
[ редактировать ]- ^ «ELMO Bumpy Torus: темная лошадка термоядерного синтеза» (PDF) . Природа . 285 (5759): 3. 1 мая 1980 г. Бибкод : 1980Natur.285....3. . дои : 10.1038/285003a0 . S2CID 52874747 . Проверено 31 июля 2021 г.
- ^ «ELMO Bumpy Torus: темная лошадка термоядерного синтеза» (PDF) . Природа . 285 (5759): 3. 1 мая 1980 г. Бибкод : 1980Natur.285....3. . дои : 10.1038/285003a0 . S2CID 52874747 . Проверено 31 июля 2021 г.
- ^ Укан, Дэндл, Хендрик, Беттис, Лидски, Макэлис, Санторо, Уоттс, Йе (январь 1977 г.). «РЕАКТОР ELMO BUMPY TORUS (EBT)» . ости точка гов . Окриджская национальная лаборатория . Проверено 1 июня 2017 г.
{{cite journal}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка ) - ^ Коббл, Джим. «Эксперимент ELMO с ухабистым тором, стационарная термоядерная машина с микроволновым приводом в ORNL» (PDF) . iccworkshops точка org . Национальная лаборатория Лос-Аламоса, 18 августа 2011 г. Архивировано из оригинала (PDF) 25 апреля 2012 г. Проверено 1 июня 2017 г.
- ^ Jump up to: а б с д Браамс и Стотт 2002 , с. 121.
- ^ Группа 1985 , с. 1271.
Библиография
[ редактировать ]- Группа, EBT (сентябрь 1985 г.). «Программа ELMO Bumpy Torus». Ядерный синтез . 25 (9): 1271–1274. дои : 10.1088/0029-5515/25/9/046 . S2CID 250782537 .
- Браамс, CM; Стотт, ЧП (2002). Ядерный синтез: полвека исследований термоядерного синтеза с магнитным удержанием . ЦРК Пресс. Бибкод : 2002nfhc.book.....B .
Термоядерная энергия , процессы и устройства | |||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| Основные темы |
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Процессы, методы |
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
| Устройства, эксперименты |
| ||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||||
