Кіріспе

Мэдисон симметриялық торы (MST) – термоядролық энергияны зерттеу және астрофизикалық плазмалар саласында қолданылатын кері өріс қысымы (RFP) физикалық эксперименті. MST Висконсин университетінің Мэдисон қаласындағы Магниттік өзін-өзі ұйымдастыру орталығында (CMSO) орналасқан. RFP-лер, ең танымал магниттік шектеу схемасы болып табылатын токамактардан айтарлықтай өзгеше, олардың орташа магнит өрісінің берілген мәні үшін қуат тығыздығы жоғары және шектеу сипаттамалары жақсырақ. RFP-лерде идеалды емес құбылыстар мен турбуленттік әсерлер үстемдік етеді.

Жіктеу

Мұндай тәжірибелердің көпшілігіндей, MST плазмасы тороидтық қыспақ болып табылады, яғни плазма донат тәрізді пішінделген және онымен өтетін үлкен токпен тудырылған магнит өрісімен шектеледі. MST кері өрісті қысу (RFP) деп аталатын машиналардың ерекше класына жатады. RFP осылай аталған, себебі плазманы қаптайтын тороидтық магнит өрісі шетке жақын өздігінен бағытын өзгертеді. Кері өрісті қыспақ, басқа тороидтық қыспақ құрылғылары сияқты, плазма арқылы конденсаторлық батарея немесе басқа жоғары ток көздерінен ток өткізу арқылы құрылады. Токамақта тороидтық өріс полоидалық өрістен әлдеқайда күшті, ал RFP-да бұл керісінше. Шындығында, RFP-де сырттан қолданылатын тороидтық өріс іске қосылғаннан кейін көп ұзамай өшіріледі. RFP-дегі плазма токамакқа қарағанда қабырғаға әлдеқайда жақын орналасқан. Бұл магнит өрісінің сызықтарының ерекше орналасуына мүмкіндік береді, олар плазмадағы жалпы магнит энергиясы ең төменгі деңгейге дейін азайтылып, жалпы магниттік спиральділік сақталатын жаңа күйге "серпіледі". Тейлор күйі деп аталатын серпілген күй, магнит өрісінің сызықтарының ерекше орналасуымен сипатталады, онда шетіндегі тороидтық магнит өрісі бағытын өздігінен өзгертеді.

Дәнекерленетін өріс тогының жетектері

Көптеген тороидтік тұйықталу схемалары сияқты, RFP плазманы және оны шектейтін магниттік өрістерді жасау үшін токтың уақытша күрделі жарылысына сүйенеді. Бірақ RFP термоядролық энергияның пайдалы кандидаты болуы үшін плазма тұрақты ток көзімен ұсталып тұруы керек. OFCD – плазмаға қуат пен спиральдік күшті инъекциялайтын тороидтік және полоидтік өрістерге айтарлықтай тербелістер енгізу арқылы релаксацияланған плазмада тұрақты ток тудыру схемасы. Ұқсас тәсіл Lockheed Martin Compact Fusion Reactor үшін патенттелген және ұсынылған. Плазмадағы сызықты емес реакция екі тербелісті орташа есеп бойынша тұрақты ток сақталып қалатындай етіп үйлестіреді.

Пелетпен инъекциялау

RFP-ны қарсы тұрған міндеттердің бірі – плазманың ыстық ядросын тікелей отынмен қамтамасыз ету, деутерий газының шетінен баяу сіңіп кіруіне сенбеу. Пеллет инжектор газдан немесе механикалық соққыдан пайдаланып, деутерийдің қатып қалған шаршысын плазмаға жібереді. Шаршы плазманың ядросына жеткенде буланып, иондалады.

Импульсті полоидальдық ток жетектері

Әрбір градиент, әсіресе ол магнит өрісі арқылы болғанда, еркін энергияның көзі болып табылады. MST-да ток өзекте шетке қарағанда күштірек. Бұл жоғарылаған ток профилі магниттік флуктуациялар үшін еркін энергия көзі болып табылады, бұл плазмада тісқақтар деп аталатын күшті құбылыстарға әкеледі. PPCD бұл әсерді плазма шетінде ток тудыру арқылы, ток профилін тегістеу арқылы азайтады. Тороидтік өрісті қоздыратын токқа шағын импульстар қосылады. Фарадей заңының көмегімен пайда болған импульстік тороидтік магнит өрісі полоидтік электр өрісін, демек полоидтік токты тудырады. MST-да жүргізіліп жатқан көптеген зерттеулер осы әсерді зерттеуге және оны жақсартылған тұтқындау үшін қолдануға бағытталған.

Бейтарап сәуле енгізу

Ұзаққа созылатын синтез реакциясын бастау үшін плазманы қыздыру үшін әдетте көптеген әдістер қолданылады. Нейтралды сәулелік инжекция (NBI) – плазманың ядросына, әдетте сутегі немесе дейтерийдің жоғары энергиялы сәулесін жіберуді қамтиды. Бұл энергиялы атомдар өз энергиясын плазмаға беру арқылы оның жалпы температурасын көтереді. Инжектіленген нейтралды атомдар ұзаққа бейтарап күйде қала алмайды. Сәуле плазма арқылы өтетін кезде, атомдар плазмадағы иондармен соқтығысып, иондалады. Торус ішіндегі магниттік өріс шеңберге иілгендіктен, жылдам иондар плазмада тұрақталатыны күтіледі. Тұрақталған жылдам иондар плазмамен өзара әрекеттесу арқылы баяулайды, дәл сияқты ауа кедергісі бейсбол добын баяулатады. Жылдам иондардан плазмаға энергияның берілуі плазманың температурасын арттырады. Инжектордың өзін бақылау терезесінен көруге болады. Ол машинаның артқы жағындағы торусқа қарай сәл төмен еңкейген, ұзын күміс цилиндр сияқты көрінеді. Инжектор импульстік режимде жұмыс істегенде, 20 000 вольт сәулені шамамен 30 ампер ток күшіне дейін 1,5 миллисекунд ішінде үдетеді. Егер жылдам иондар плазмада олардың энергиясын жеткілікті мөлшерде беруге үлгірмей, ұзақ уақыт сақталмаса, проблемалар туындауы мүмкін. Магниттік флуктуациялар осы типтегі құрылғыда плазманы тұрақтандыруға кедергі келтіреді, біздің күткеніміздей жақсы жүйеленген магниттік өрістерді бұзады. Егер жылдам иондар осыған бейім болса, олар тез шығып кетуі мүмкін. Алайда, мұны жоққа шығаратын деректер де бар.

Бернштейн толқынының ток қозғалысы

EBW – Электрон Бернштейн толқынының аббревиатурасы және плазма физигі Айра Бернштейннің есімімен аталады. Бернштейн толқыны режимі плазмаға иондық немесе электрондық энергияны (IBW немесе EBW) беру әдісіне қатысты, оның температурасын синтез жағдайларына жеткізу үшін арттыру мақсатында. Плазма – найзағай мен электр разрядтары кезінде табиғи түрде пайда болатын және термоядролық реакторларда өте жоғары температура алу үшін жасанды түрде жасалатын материяның бір күйі. Бұл MST-де плазманы қыздыру және плазма ішінде электр тогын тудыру бойынша жүргізіліп жатқан тәжірибе. Бұл машинаның ішіндегі плазмада үлкен электр тогы бар; ол кері магниттік қысым конфигурациясын жасау үшін қажетті магниттік өрістерді құруға жауапты. Сонымен қатар, ол плазманы өте жылдам қыздырады – сіздің тостеріңіздегі сымдардың қызуы сияқты. Сіздің тостеріңіз шамамен 10 ампер ток пайдаланады, ал MST-дегі плазма 600 000 амперге дейін қыздырылады. Бірақ плазманың температурасы 10 000 000 градусқа дейін жетсе де, ол практикалық термоядролық энергияны өндіру үшін жеткілікті ыстық емес, сондықтан біз плазмаға энергияны берудің басқа жолдарын табуымыз керек. EBW – плазманы одан әрі қыздыру үшін микротолқынды қуатты енгізудің бір жолы. Стандартты микротолқынды пеш 2,45 ГГц жиілікте шамамен 1 кВт қуат өндіреді; EBW тәжірибесі қазіргі уақытта 3,6 ГГц жиілікте 150 кВт қуат өндіріп, команда 2 МВт-тан асыруды мақсат тұтып отыр. Бұл қуатты (төмен бюджетте) өндіру үшін қолданыстан шығарылған әскери радарлық жабдықтар мен үй жасаған кернеулі қуат көздері пайдаланылады. EBW тәжірибесінің екінші (әлдеқимде ғылыми маңызы зор) мақсаты – плазманың белгілі бір бөлігіне электр тогын жіберу. Негізгі плазма тогы табиғи түрде таралады, ал плазма токты орталыққа шоғырландыруға бейім, шетке жақын аймақта аз ток қалдырады. Бұл плазманың тұрақсыздығына әкелуі мүмкін. Бұл (теориялық және тәжірибелік тұрғыдан) дәлелденген, Мадисон симметриялық торында жүргізілген зерттеулерде шеттегі ток плазманы магнит өрісінің өзгеруіне қарсы тұрақты ететіні, нәтижесінде ыстық плазма жақсы ұсталып, температура жоғарылайтыны көрсетілген. Осы тұрақтандыру тогын EBW арқылы басқару – өте маңызды ғылыми нәтиже болар еді. Қосалқы токты нақты орналастыру мүмкіндігі бізге ток тудыру схемаларын оңтайландыруға мүмкіндік береді. Жылу да локальдік сипатқа ие, бұл бізге плазманың қаншалықты ыстық болатынын (кем дегенде жергілікті түрде) зерттеуге мүмкіндік береді – плазма физикасы терминдерімен айтқанда, бұл бета лимитін табу деп аталады. Бұл RFP үшін әлі жауапсыз қалған сұрақ және бұл машинаның түрін тиімді және қуатты термоядролық реакторға дейін кеңейтуге бола ма, жоқ па дегенге жауап беруге көмектеседі.