Введение
Мэдисон симметричный Торус (MST) — это физический эксперимент, использующий схему с обратным полевым защемлением (RFP) и имеющий применение как в исследованиях термоядерной энергии, так и в астрофизической плазме. MST расположен в Центре магнитной самоорганизации (CMSO) при Университете Висконсина в Мэдисоне. RFP значительно отличаются от токамаков (наиболее распространенной схемы магнитного удержания) тем, что при заданном среднем магнитном поле они, как правило, обладают более высокой плотностью мощности и лучшими характеристиками удержания. В RFP также преобладают неидеальные явления и турбулентные эффекты.
Классификация
Как и в большинстве подобных экспериментов, плазма MST представляет собой тороидальный пинч, то есть плазма имеет форму тора и удерживается магнитным полем, создаваемым большим током, протекающим через неё. MST относится к нетрадиционному классу машин, называемых обратным полевым зажимом (RFP). RFP получил такое название, потому что тороидальное магнитное поле, пронизывающее плазму, спонтанно меняет направление вблизи края. Обратный полевой зажим формируется аналогично другим тороидальным пинч-устройствам, путем пропускания тока через плазму от связанного банка конденсаторов или других источников питания с высоким током. В токамаке тороидальное поле значительно сильнее, чем полоидальное, но в RFP – наоборот. Фактически, в RFP внешне приложенное тороидальное поле отключается вскоре после запуска. Плазма в RFP также находится гораздо ближе к стенке, чем в токамаке. Это позволяет сформировать своеобразную конфигурацию линий магнитного поля, которая будет "релаксировать" в новое состояние, при котором общая магнитная энергия в плазме будет минимизирована, а общая магнитная спиральность – сохранена. Релаксированное состояние, называемое состоянием Тейлора, характеризуется специфической конфигурацией линий магнитного поля, где тороидальное магнитное поле на краю спонтанно меняет направление.
Двигатель колебательного поля
Как и большинство схем тороидального удержания, RFP использует кратковременный импульс тока для создания плазмы и магнитных полей, которые её удерживают. Однако, чтобы RFP стал перспективным кандидатом для получения энергии термоядерного синтеза, плазма должна поддерживаться источником постоянного тока. OFCD – это схема поддержания постоянного тока в расслабленной плазме путем добавления существенных осциллирующих возмущений к тороидальным и полоидальным полям, с одновременным вводом в плазму мощности и спиральности. Аналогичный подход был запатентован и предложен для компактного термоядерного реактора Lockheed Martin. Нелинейная реакция в плазме комбинирует эти два колебания таким образом, что в среднем поддерживается постоянный ток.
Инъекция пеллетами
Одна из задач, стоящих перед RFP, — непосредственная подача энергии в горячее ядро плазмы, а не полагаться на медленное проникновение газа дейтерия с периферии. Пелетный инжектор выстреливает в плазму замороженную пелету дейтерия с помощью газового импульса или механического толкателя. Пелета испаряется и ионизируется по мере продвижения к ядру плазмы.
Импульсный полоидальный привод
Каждый градиент является источником свободной энергии, особенно если он существует в магнитном поле. В MST ток сильнее в центре, чем на периферии. Этот пиковый профиль тока служит источником свободной энергии для магнитных флуктуаций, приводящих к бурным событиям в плазме, называемым пилообразными неустойчивостями. PPCD ослабляет этот эффект, нагоняя ток на периферию плазмы, что приводит к выравниванию профиля тока. В токи питания, управляющие тороидальным полем, добавляются небольшие импульсы. В результате, импульсное тороидальное магнитное поле, в соответствии с законом Фарадея, создает полоидальное электрическое поле и, следовательно, полоидальный ток. Значительная часть исследований на MST посвящена изучению этого эффекта и его применению для улучшения удержания плазмы.
Впрыск нейтрального луча
Для того, чтобы инициировать устойчивую реакцию термоядерного синтеза, обычно необходимо использовать множество методов нагрева плазмы. Инжекция нейтральных пучков (ИНП) заключается во введении высокоэнергетического пучка нейтральных атомов, как правило, водорода или дейтерия, в ядро плазмы. Эти энергичные атомы передают свою энергию плазме, повышая общую температуру. Введенные нейтральные атомы не остаются нейтральными. Когда пучок проходит через плазму, атомы ионизируются при столкновении с ионами в плазме. Поскольку магнитное поле внутри тора замкнуто в кольцо, предполагается, что быстрые ионы будут удерживаться в фоновой плазме. Удерживаемые быстрые ионы замедляются фоновой плазмой, подобно тому, как сопротивление воздуха замедляет бейсбольный мяч. Передача энергии от быстрых ионов к плазме увеличивает температуру плазмы. Сам инжектор можно увидеть из смотрового окна. Он выглядит как длинный серебристый цилиндр, лежащий на боку, но слегка наклоненный вниз к тору в задней части установки. При импульсе инжектор ускоряет пучок напряжением 20 000 вольт до тока примерно в 30 ампер в течение около 1,5 миллисекунды. Возникнут проблемы, если быстрые ионы не будут удерживаться в плазме достаточно долго для передачи своей энергии. Магнитные флуктуации затрудняют удержание плазмы в этом типе устройств, нарушая упорядоченность магнитных полей. Если быстрые ионы подвержены этому явлению, они могут быстро покинуть плазму. Однако есть данные, свидетельствующие об обратном.
Электроны Бернштейна волнового тока привод
EBW – это аббревиатура от Electron Bernstein Wave и названа в честь физика плазмы Айры Бернштейна. Режим волны Бернштейна относится к методу ввода ионной или электронной энергии (IBW или EBW) в плазму для повышения её температуры в попытке достичь условий термоядерного синтеза. Плазма – это фаза материи, которая возникает естественным образом во время молнии и электрических разрядов, и которая создаётся искусственно в термоядерных реакторах для получения чрезвычайно высоких температур. Данный эксперимент на MST направлен на нагрев плазмы и создание электрического тока внутри неё. В плазме внутри этой установки протекает большой электрический ток, который отвечает за создание необходимых магнитных полей для формирования конфигурации обратного защемления поля. Он также очень быстро нагревает плазму – так же, как нагреваются спирали в тостере. Ваш тостер, вероятно, потребляет около 10 ампер тока, в то время как плазма в MST нагревается током до 600 000 ампер. Но даже при достижении плазмой температуры более 10 000 000 градусов по Фаренгейту, она недостаточно горяча для получения практической энергии термоядерного синтеза, и нам необходимо найти другие способы передачи энергии плазме. EBW – это способ ввода микроволновой мощности для дальнейшего нагрева плазмы. Стандартная микроволновая печь производит около 1 кВт мощности на частоте 2,45 ГГц, в то время как эксперимент EBW в настоящее время генерирует 150 кВт на частоте 3,6 ГГц, и команда ставит целью модернизацию до более чем 2 МВт. Для генерации такой мощности (при ограниченном бюджете) используется списанное военное радиолокационное оборудование и самодельные источники питания. Вторая (и, возможно, более важная с научной точки зрения) цель эксперимента EBW – создание электрического тока в заданном месте внутри плазмы. Основной ток плазмы распределяется естественным образом, и плазма имеет тенденцию концентрировать ток в центре, оставляя меньше тока у края. Это может привести к нестабильности плазмы. Было показано (как теоретически, так и экспериментально на Мадисонском симметричном торе), что создание тока у края делает плазму более устойчивой к флуктуациям магнитного поля, что приводит к лучшему удержанию горячей плазмы и, как следствие, к более высокой температуре. Использование EBW для создания этого стабилизирующего тока стало бы очень важным научным результатом. Возможность точного внесения дополнительного тока даёт нам возможность оптимизировать схемы управления током. Нагрев также очень локализован, что позволяет нам изучить, насколько горячей (по крайней мере, локально) может стать плазма в рамках данной схемы магнитного удержания – в терминах физики плазмы это называется определением бета-предела. Это нерешённый вопрос для RFP, и он даст представление о том, можно ли масштабировать этот тип установки до экономически эффективного и производительного термоядерного реактора.