Мэдисон симметриялық торусы: Қайырылған магниттік қысым эксперименті
Madison Symmetric Torus
Мадисон симметриялық торусы (MST) – термоядролық энергияны зерттеу және астрофизикалық плазмаға қатысты эксперимент. Токомактан айырмашылығы жоғары қуат тығыздығымен ерекшеленеді.
Ағылшыншамен салыстырыңыз: абзацты басыңыз — түпнұсқа терезеде ашылады. Абзац астындағы EN түймесі оны мәтін ішінде көрсетеді.
Мазмұны
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.
The Madison Symmetric Torus (MST) is a reversed field pinch (RFP) physics experiment with applications to both fusion energy research and astrophysical plasmas. MST is located at the Center for Magnetic Self Organization (CMSO) at the University of Wisconsin Madison. RFPs are significantly different from tokamaks (the most popular magnetic confinement scheme) in that they tend to have a higher power density and better confinement characteristics for a given average magnetic field. RFPs also tend to be dominated by non ideal phenomena and turbulent effects.
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.
As in most such experiments, the MST plasma is a toroidal pinch, which means the plasma is shaped like a donut and confined by a magnetic field generated by a large current flowing through it. MST falls into an unconventional class of machine called a reversed field pinch (RFP.) The RFP is so named because the toroidal magnetic field that permeates the plasma spontaneously reverses direction near the edge. A reversed field pinch is formed similarly to other toroidal pinch devices, by driving current through the plasma from an associated capacitor bank or other high current power sources. In a tokamak the toroidal field is much stronger than the poloidal field, but in an RFP it's just the opposite. In fact, in an RFP the externally applied toroidal field is switched off shortly after startup. The plasma in an RFP is also much closer to the wall than in a Tokamak. This permits a peculiar arrangement of the magnetic field lines, which will 'relax' into a new state such that the total magnetic energy in the plasma is minimized and the total magnetic helicity is conserved. The relaxed state called a Taylor state is marked by a peculiar arrangement of magnetic field lines where the toroidal magnetic field at the edge spontaneously reverses direction.
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.
Like most toroidal confinement schemes, the RFP relies on a transient burst of current to create the plasma and the magnetic fields that confine it. But for the RFP to be a viable fusion energy candidate the plasma must be sustained by a steady state current source. OFCD is a scheme for driving a steady current in a relaxed plasma by adding sizable oscillating perturbations to the toroidal and poloidal fields injecting both power and helicity into the plasma. A similar approach was patented and suggested for the Lockheed Martin Compact Fusion Reactor. A nonlinear reaction in the plasma combines the two oscillations in such a way that, on average, a steady current is maintained.
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.
One of the challenges facing the RFP is fueling the hot core of the plasma directly, rather than relying on the deuterium gas to seep in slowly from the edge. The Pellet Injector fires a frozen pellet of deuterium into the plasma using a blast of gas or a mechanical punch. The pellet is vaporized and ionized as it travels into the core of the plasma.
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.
Every gradient is a source of free energy, especially if it's across a magnetic field. In MST the current is stronger in the core than at the edge. This peaked current profile serves as a source of free energy for magnetic fluctuations culminating in violent events in the plasma called sawteeth. PPCD alleviates this effect by driving a current at the edge of the plasma, flattening the current profile. Small pulses are added to the power supply currents that drive the toroidal field. The resultant pulsed toroidal magnetic field, with the aid of Faraday's law, creates a poloidal electric field and hence a poloidal current. A great deal of research on MST is devoted to the study of this effect and its application for enhanced confinement.
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.
In order to initiate a sustained fusion reaction, it is usually necessary to use many methods to heat the plasma. Neutral Beam Injection (NBI) involves injecting a high energy beam of neutral atoms, typically hydrogen or deuterium, into the core of the plasma. These energetic atoms transfer their energy to the plasma, raising the overall temperature. The neutral atoms injected don't remain neutral. As the beam passes through the plasma, the atoms are ionized as they bounce off the ions in the plasma. Because the magnetic field inside the torus is bent into a circle, the fast ions are hoped to be confined in the background plasma. The confined fast ions are slowed down by the background plasma, the same way air resistance slows down a baseball. The energy transfer from the fast ions to the plasma increases the plasma temperature. The actual injector can be seen from the observation window. It looks like a long silver cylinder laying on its side but tilted slightly downward against the torus near the back of the machine. When the injector is pulsed, 20,000 volts accelerates the beam to about 30 amperes of current for about 1.5 milliseconds. Problems would occur if the fast ions aren't confined within the plasma long enough for them to deposit their energy. Magnetic fluctuations bedevil plasma confinement in this type of device by scrambling what we hoped were well behaved magnetic fields. If the fast ions are susceptible to this type of behavior, they can escape very quickly. However, there is evidence to suggest that they aren't.
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.
EBW is an acronym for Electron Bernstein Wave and is named after the plasma physicist, Ira Bernstein. Bernstein Wave Mode relates to a method of injecting ion or electron energy (IBW or EBW) into a plasma to increase its temperature in an attempt to reach fusion conditions. A plasma is a phase of matter which occurs naturally during lightning and electrical discharges and which is created artificially in fusion reactors to produce extremely high temperatures. This is an experiment on the MST to heat the plasma and to drive electric current inside the plasma. There is a large electric current in the plasma inside this machine; it is responsible for creating the necessary magnetic fields to make the reversed field pinch configuration. It also heats the plasma very quickly — the same way wires inside your toaster get hot. Your toaster probably uses about 10 ampere of current, while the plasma in MST is heated by up to 600,000 amperes. But even though the plasma reaches over 10,000,000 degrees Fahrenheit, it is not hot enough for practical fusion energy and we need to find other ways to deposit energy into the plasma. The EBW is a way to inject microwave power to further heat the plasma. The standard microwave oven produces around 1 kW of power at a frequency of 2.45 GHz; the EBW experiment is currently producing 150 kW at 3.6 GHz, and it is a goal of the team to upgrade to over 2 MW. To generate this type of power (on a low budget), decommissioned military radar equipment and home made voltage power supplies are used. The second (and perhaps more scientifically important) goal of the EBW experiment is to drive electric current in a prescribed place within the plasma. The main plasma current distributes itself naturally, and the plasma tends to concentrate current into the center, leaving less current near the edge. This can lead to instability of the plasma. It has been shown (both theoretically and by experiments in the Madison Symmetric Torus) that driving current in the edge makes the plasma more stable to fluctuations in the magnetic field, resulting in better confinement of the hot plasma and leading to much higher temperature. Using the EBW to drive this stabilizing current would be a very important scientific result. The ability to deposit very specifically the auxiliary current gives us the opportunity to optimize our current drive schemes. The heating is also very localized, allowing us to study how hot (at least locally) the plasma can become within this magnetic confinement scheme — in plasma physics terms, this is called finding the beta limit. This is an unanswered question for the RFP and will give insight on whether or not this type of machine could be scaled up to a cost effective, efficient fusion reactor.