Husté plazmové zaostření - Dense plasma focus

Husté plazma zaostření ( DPF ) je typ plazmového systému vytvářejícího původně vyvinut jako fúzní energie zařízení začíná na začátku 1960. Systém demonstroval zákony škálování, které naznačovaly, že by to nebylo užitečné v roli komerční moci, a od 80. let se používá především jako systém výuky fúze a jako zdroj neutronů a rentgenových paprsků .

Původní koncept byl vyvinut v roce 1954 NV Filippovem, který si tohoto efektu všiml při práci na raných pinch strojích v SSSR. Hlavní výzkumný program DPF byl prováděn v SSSR do konce padesátých let minulého století a pokračuje dodnes. JW Mather na začátku šedesátých let v USA nezávisle objevil jinou verzi stejného základního konceptu. Tato verze zaznamenala určitý vývoj v 70. letech minulého století a variace se nadále vyvíjejí.

Základní design vychází z konceptu z-pinch . DPF i pinch používají velké elektrické proudy procházející plynem, který způsobí, že ionizuje do plazmy, a poté se sevře , aby se zvýšila hustota a teplota plazmatu. DPF se do značné míry liší formou; většina zařízení používá dva soustředné válce a tvoří sevření na konci centrálního válce. Naproti tomu systémy z-pinch obecně používají jeden válec, někdy torus, a sevřou plazmu do středu.

Plazmové ohnisko je podobné zařízení s vysokou intenzitou plazmové pistole (HIPGD) (nebo jen plazmová pistole ), které vysune plazmu ve formě plazmoidu, aniž by ji sevřelo. Krishnan provedl v roce 2012 komplexní přehled o zaměření na hustou plazmu a jeho různých aplikacích.

Pinch koncept

Pinch-based devices jsou nejčasnější systémy, které mají být vážně vyvinuty pro výzkum fúze, počínaje velmi malými stroji postavenými v Londýně v roce 1948. Ty obvykle měly jednu ze dvou forem; stroje na lineární špetku jsou rovné trubice s elektrodami na obou koncích, které vedou proud do plazmatu, zatímco toroidní štípací stroje jsou stroje ve tvaru koblihy s velkými magnety omotanými kolem nich, které dodávají proud magnetickou indukcí .

U obou typů strojů je na zředěný plyn uvnitř trubice aplikován velký proud. Tento proud zpočátku ionizuje plyn do plazmy. Jakmile je ionizace dokončena, k čemuž dochází v mikrosekundách, začne plazma vést proud. Díky Lorentzově síle tento proud vytváří magnetické pole, které způsobuje, že se plazma „sevře“ dolů do vlákna, podobně jako blesk. Tento proces velmi rychle zvyšuje hustotu plazmy, což způsobuje zvýšení její teploty.

Dřívější zařízení rychle prokázala problém se stabilitou tohoto procesu. Když proud začal proudit v plazmě, objevily se magnetické efekty známé jako „klobása“ a „zalomení“, které způsobily, že plazma začala být nestabilní a nakonec zasáhla boky nádoby. Když k tomu dojde, horké plazma způsobí, že se atomy kovu nebo skla odloučí a vstoupí do paliva, což plazmu rychle ochladí. Pokud by nebylo možné stabilizovat plazmu, tento proces ztráty by znemožnil fúzi.

V polovině 50. let se objevila dvě možná řešení. V konceptu rychlého sevření by lineární zařízení prošlo sevřením tak rychle, že by se plazma jako celek nepohybovala, místo toho by se začala svírat pouze vnější vrstva, což by vytvořilo rázovou vlnu, která by pokračovala v procesu poté, co byl proud odstraněn . Ve stabilizovaném štípnutí by byla přidána nová magnetická pole, která by se mísila s proudovým polem a vytvářela stabilnější konfiguraci. Při testování nefungoval ani jeden z těchto systémů a štíhlá cesta k fúzi byla na počátku šedesátých let do značné míry opuštěna.

Koncept DPF

Během experimentů na lineárním štípacím stroji si Filippov všiml, že určitá uspořádání elektrod a trubice způsobí, že se plazma formuje do nových tvarů. To vedlo ke konceptu DPF.

V typickém zařízení DPF existují dvě válcové elektrody. Vnitřní, často pevný, je fyzicky oddělen od vnějšího izolačním kotoučem na jednom konci zařízení. Na druhém konci je ponechán otevřený. Konečným výsledkem je něco jako hrnek na kávu s polovičním párkem v rohlíku, který stojí na jeho konci uprostřed hrnku.

Když je aplikován proud, začne se obloukovat na cestě nejmenšího odporu, na konci poblíž izolačního disku. To způsobí, že se plyn v oblasti rychle ionizuje a začne jím protékat proud na vnější elektrodu. Proud vytváří magnetické pole, které začíná tlačit plazmu dolů trubicí směrem k otevřenému konci. Dosáhne konce v mikrosekundách.

Když dosáhne konce, pokračuje v pohybu na krátkou dobu, ale koncové body aktuálního listu zůstanou připojeny ke konci válců. To způsobí, že se plazmová fólie vykloní do tvaru, který není nepodobný deštníku nebo čepici houby.

V tomto bodě se další pohyb zastaví a pokračující proud místo toho začne svírat část poblíž centrální elektrody. Nakonec to způsobí, že se dřívější prstencovitá oblast stlačí dolů na svislý sloupek vybíhající z konce vnitřní elektrody. V této oblasti je hustota výrazně zvýšena.

Celý proces probíhá mnohonásobně rychlostí zvuku v okolním plynu. Jak se současný plášť dále pohybuje axiálně, část v kontaktu s anodou klouže po povrchu anody, osově symetricky. Když se implodující přední část rázové vlny spojí na osu, odražená přední část rázu vychází z osy, dokud se nesetká s pláštěm hnacího proudu, který pak vytvoří osovou symetrickou hranici sevřeného nebo zaostřeného horkého plazmového sloupce.

Hustý plazmový sloupec (podobný Z-pinch ) rychle skřípne a podléhá nestabilitě a rozpadá se. Intenzivní elektromagnetické záření a výboje částic, souhrnně označované jako multi-záření, se objevují během husté plazmatické a rozpadové fáze. Tyto kritické fáze trvají typicky desítky nanosekund pro malý (kJ, 100 kA) zaostřovací stroj na přibližně mikrosekundu pro velký (MJ, několik MA) zaostřovací stroj.

Proces, včetně axiální a radiální fáze, může u stroje Mather DPF trvat několik mikrosekund (pro malé ohnisko) až 10 mikrosekund pro větší zaostřovací stroj. Filippovův zaostřovací stroj má velmi krátkou axiální fázi ve srovnání s ostřením Mather.

Aplikace

Při provozu s použitím deuteria jsou emitovány intenzivní výboje rentgenových paprsků a nabitých částic, stejně jako vedlejší produkty jaderné fúze včetně neutronů . Probíhá výzkum, který mimo jiné ukazuje potenciální aplikace jako měkký rentgenový zdroj pro mikroelektronickou litografii příští generace , povrchové mikroobrábění , pulzní rentgenový a neutronový zdroj pro lékařské a bezpečnostní inspekční aplikace a úpravy materiálů.

Pro aplikace jaderných zbraní lze jako externí zdroj neutronů použít zařízení s hustým plazmovým zaostřováním . Mezi další aplikace patří simulace jaderných výbuchů (pro testování elektronických zařízení) a krátký a intenzivní zdroj neutronů vhodný pro bezkontaktní objevování nebo kontrolu jaderných materiálů (uran, plutonium).

Charakteristika

Důležitou charakteristikou fokusovaného hustého plazmatu je, že hustota energie soustředěného plazmatu je prakticky konstantní v celé řadě strojů, od subkilojoulových strojů po megajoulové stroje, kdy jsou tyto stroje vyladěny pro optimální provoz. To znamená, že malý plazmový zaostřovací stroj velikosti stolu produkuje v podstatě stejné charakteristiky plazmatu (teplotu a hustotu) jako největší plazmové ohnisko. Samozřejmě, že větší stroj bude produkovat větší objem soustředěného plazmatu s odpovídající delší životností a větším výnosem radiace.

I to nejmenší plazmové ohnisko má v podstatě stejné dynamické vlastnosti jako větší stroje, produkující stejné charakteristiky plazmatu a stejné produkty záření. Je to dáno škálovatelností plazmatických jevů.

Viz také plasmoid , samostatná magnetická plazmová koule, která může být produkována hustým plazmovým ohniskem.

Parametry návrhu

Skutečnost, že hustota plazmatické energie je v celém rozsahu plazmových zaostřovacích zařízení konstantní, od velkých po malé, souvisí s hodnotou konstrukčního parametru, který je třeba udržovat na určité hodnotě, má -li plazmové zaostřování fungovat efektivně.

Kritický konstrukční parametr „rychlosti“ pro zařízení produkující neutrony je , kde je proud, poloměr anody a hustota nebo tlak plynu.

Například pro neutronově optimalizovaný provoz v deuteriu je hodnota tohoto kritického parametru, experimentálně pozorovaná na řadě strojů od kilojoulů do stovek kilojoulů,: 9 kA/(mm · Torr 0,5 ) nebo 780 kA/(m · Pa 0,5 ), s pozoruhodně malou odchylkou 10% oproti tak velkému rozsahu velikostí strojů.

Pokud tedy máme špičkový proud 180 kA, požadujeme poloměr anody 10 mm s plnicím tlakem deuteria 4 Torr (530 Pa). Délka anody pak musí být přizpůsobena době trvání kondenzátorového proudu, aby byla umožněna průměrná axiální rychlost průchodu proudového pláště těsně nad 50 mm/μs. Trvanlivost kondenzátoru 3 μs tedy vyžaduje odpovídající délku anody 160 mm.

Výše uvedený příklad špičkového proudu 180 kA stoupajícího za 3 μs, poloměru anody a délky 10 a 160 mm se blíží konstrukčním parametrům UNU/ICTP PFF (United Nations University/International Center for Theoretical Physics Plasma Fusion Facility) . Toto malé stolní zařízení bylo navrženo jako levný integrovaný experimentální systém pro školení a přenos, aby zahájil/posílil experimentální výzkum plazmy v rozvojových zemích.

Lze poznamenat, že druhá mocnina parametru pohonu je měřítkem „hustoty plazmatické energie“.

Na druhé straně další navrhovaný, takzvaný „parametr hustoty energie“ , kde E je energie uložená v kondenzátorové bance a a je poloměr anody, pro provoz optimalizovaný neutrony v deuteriu je hodnota tohoto kritického parametru experimentálně pozorována řada strojů od desítek joulů po stovky kilojoulů je v řádu J/m 3 . Například pro banku kondenzátoru 3 kJ je poloměr anody řádově 12 mm. Tento parametr má rozsah 3,6x10^9 až 7,6x10^11 pro stroje zkoumané společností Soto. Široký rozsah tohoto parametru je způsoben tím, že se jedná o „hustotu akumulační energie“, která se promítá do hustoty plazmatické energie s různou účinností v závislosti na široce rozdílných výkonech různých strojů. K dosažení potřebné hustoty plazmatické energie (která je pro optimalizovanou produkci neutronů téměř konstantní) je tedy zapotřebí velmi odlišná počáteční hustota skladování.

Aktuální výzkum

Síť deseti identických strojů DPF působí v osmi zemích světa. Tato síť produkuje výzkumné práce na témata zahrnující optimalizaci a diagnostiku strojů (měkké rentgenové paprsky, neutrony, elektronové a iontové paprsky), aplikace (mikrolitografie, mikroobrábění, úpravy a výroba materiálů, zobrazování a lékařství, astrofyzikální simulace) a také modelování a výpočet . Síť organizoval Sing Lee v roce 1986 a je koordinována Asijskou africkou asociací pro trénink plazmatu, AAAPT . Pro tuto síť byl vyvinut simulační balíček, Lee Model, který je však použitelný pro všechna plazmová zaostřovací zařízení. Kód obvykle vytváří vynikající shodu mezi vypočítanými a naměřenými výsledky a je k dispozici ke stažení jako univerzální laboratorní zařízení zaměřené na plazmu. Institut pro studie zaměřené na plazmu IPFS byl založen 25. února 2008 za účelem podpory správného a inovativního používání kódu Lee Model a podpory aplikace numerických experimentů zaměřených na plazmu. Výzkum IPFS již rozšířil numericky odvozené zákony o škálování neutronů na experimenty s více megajouly. Ty čekají na ověření. Numerické experimenty s kódem také vedly ke kompilaci globálního zákona o škálování, který naznačuje, že dobře známý efekt saturace neutronů lépe koreluje s mechanismem zhoršování škálování. To je způsobeno rostoucí dominancí dynamického odporu axiální fáze, protože impedance banky kondenzátoru klesá s rostoucí energií banky (kapacita). V zásadě by odporovou saturaci bylo možné překonat provozováním systému pulzního napájení při vyšším napětí.

Mezinárodní centrum pro husté magnetizované plazmy (ICDMP) ve Varšavě v Polsku provozuje několik strojů s plazmovým zaostřováním pro mezinárodní výzkumný a školící program. Mezi tyto stroje patří jeden s energetickou kapacitou 1 MJ, což z něj činí jedno z největších plazmových zaostřovacích zařízení na světě.

V Argentině existuje od roku 1996 interinstitucionální program pro výzkum zaměřený na plazmu , koordinovaný Národní laboratoří hustých magnetizovaných plazmat ( www.pladema.net ) v Tandilu v Buenos Aires. Program také spolupracuje s chilskou komisí pro jadernou energii a propojuje argentinskou národní energetickou komisi, vědeckou radu v Buenos Aires, University of Center, University of Mar del Plata, University of Rosario a Institute of Plazma Physics of univerzitě v Buenos Aires. Program provozuje šest plazmových zaostřovacích zařízení, která vyvíjejí aplikace, zejména ultra krátkou tomografii a detekci látek neutronově pulzním vyšetřováním. PLADEMA také v posledním desetiletí přispěla několika matematickými modely Plasma Focus. Termodynamický model byl schopen poprvé vyvinout návrhové mapy kombinující geometrické a provozní parametry, které ukazují, že vždy existuje optimální délka zbraně a nabíjecí tlak, které maximalizují emise neutronů. V současné době existuje kompletní kód konečných prvků ověřený proti mnoha experimentům, který lze s jistotou použít jako návrhový nástroj pro Plasma Focus.

V Chile byly při chilské komisi pro jadernou energii experimenty s plazmovým zaměřením rozšířeny na zařízení se subkilojouly a pravidla vah byla rozšířena na oblast menší než jeden joul. Jejich studie přispěly k poznání, že je možné škálovat plazmatické zaměření v široké škále energií a velikostí při zachování stejné hodnoty hustoty iontů, magnetického pole, rychlosti plazmového pláště, rychlosti Alfvénu a množství energie na částici. Fúzní reakce je proto dokonce možné získat v ultraminiaturních zařízeních (poháněných například generátory 0,1 J), jako je tomu u větších zařízení (poháněných generátory 1 MJ). Stabilita plazmového štípnutí však velmi závisí na velikosti a energii zařízení. Bohatá plazmová fenomenologie byla pozorována u stolních plazmových zaostřovacích zařízení vyvinutých při chilské komisi pro jadernou energii: vláknitých struktur, toroidních singularit, plazmových výbuchů a generací trysek plazmy. Kromě toho jsou možné aplikace prozkoumány pomocí tohoto druhu malých plazmových zařízení: vývoj přenosného generátoru jako neradioaktivních zdrojů neutronů a rentgenových paprsků pro polní aplikace, pulzní záření aplikované na biologické studie, plazmové zaměření jako zdroj neutronů pro jadernou fúzi- štěpné hybridní reaktory a použití plazmových zaostřovacích zařízení jako plazmových urychlovačů pro studium materiálů pod intenzivními pulzy relevantními pro fúzi. Chilská komise pro jadernou energii navíc v současné době provozuje zařízení SPEED-2, největší zařízení pro plazmové zaměření na jižní polokouli.

Od začátku roku 2009 byla/je uvedena do provozu řada nových plazmových zaostřovacích strojů, včetně INTI Plasma Focus v Malajsii, NX3 v Singapuru, první plazmové ohnisko, které bylo v poslední době uvedeno do provozu na americké univerzitě, KSU Plasma Zaostření na Kansaské státní univerzitě, která zaznamenala svůj první fúzní neutron emitující špetku na Silvestra 2009 a plazmové ohnisko IR-MPF-100 (115 kJ) v Íránu.

Fúzní síla

Několik skupin navrhlo, že fúzní energie založená na DPF by mohla být ekonomicky životaschopná, možná dokonce s palivovými cykly s nízkými neutrony, jako je p-B11. Proveditelnost čistého výkonu z p-B11 v DPF vyžaduje, aby ztráty bremsstrahlung byly sníženy kvantově mechanickými efekty indukovanými extrémně silným magnetickým polem „ zmrazeným do plazmy“ . Vysoké magnetické pole také vede k vysoké rychlosti emise cyklotronového záření , ale při předpokládaných hustotách, kde je plazmová frekvence větší než cyklotronová frekvence , bude většina této energie reabsorbována, než bude ztracena z plazmatu. Další nárokovanou výhodou je schopnost přímé přeměny energie z fúzních produktů na elektřinu s účinností potenciálně nad 70%.

Fyzika plazmatu v Lawrenceville

V Lawrenceville Plasma Physics (LPP) probíhají experimenty a počítačové simulace za účelem zkoumání schopnosti DPF pro fúzní energii pod vedením Erica Lernera , který svůj přístup „Focus Fusion“ vysvětlil v Google Tech Talk 2007. 14. listopadu 2008 získal Lerner finanční prostředky na pokračující výzkum, aby otestoval vědeckou proveditelnost Focus Fusion.

15. října 2009 dosáhlo zařízení DPF „Focus Fusion-1“ první špetky. 28. ledna 2011 LPP publikoval počáteční výsledky včetně experimentálních záběrů s výrazně vyššími výtěžky fúze, než je historický trend DPF. V březnu 2012 společnost oznámila, že dosáhla teplot 1,8 miliardy stupňů, čímž překonala starý rekord 1,1 miliardy, který přežil od roku 1978. V roce 2016 společnost oznámila, že dosáhla výtěžku fúze 0,25 joulů. V roce 2017 společnost snížila hmotnost nečistot o 3krát a počet iontů o 10krát. Výtěžek fúze se zvýšil o 50%. Výtěžek fúze se zdvojnásobil ve srovnání s jinými plazmovými zaostřovacími zařízeními se stejným vstupem energie 60 kJ. Průměrná energie iontů se navíc zvýšila na rekord 240 ± 20 keV pro jakékoli uzavřené fúzní plazma. Směs deuteria a dusíku a preionizace koronovým výbojem snížily standardní odchylku výtěžku fúze 4x na přibližně 15%.

V roce 2019 tým provedl sérii experimentů nahrazujících wolframové elektrody beryliovými elektrodami (nazývanými Focus Fusion 2B). Po 44 výstřelech vytvořila elektroda mnohem tenčí vrstvu 10 nm oxidu s odpovídajícím počtem nečistot a menší erozí elektrody než u wolframových elektrod. Výtěžek fúze dosáhl 0,1 joulu. Výnos se obecně zvyšoval a nečistoty klesaly s rostoucím počtem výstřelů.

Viz také

Dějiny

  • 1958: Петров Д.П., Филиппов Н.В., Филиппова Т.И., Храбров В.А. "Мощный импульсный газовый разряд в камерах с проводящими стенками". В сб. Физика плазмы и проблемы управляемых термоядерных реакций. .Зд. АН СССР, 1958, т. 4, s. 170–181.
  • 1958: Hannes Alfvén : Sborník z druhé mezinárodní konference o mírovém využívání atomové energie (OSN), 31, 3
  • 1960: H Alfven, L Lindberg a P Mitlid, „ Experimenty s plazmovými prstenci “ (1961) Journal of Nuclear Energy . Část C, fyzika plazmatu, urychlovače, termonukleární výzkum, svazek 1, vydání 3, s. 116–120
  • 1960: Lindberg, L., E. Witalis a CT Jacobsen, „Experimenty s plazmovými prstenci“ (1960) Nature 185: 452.
  • 1961: Hannes Alfvén: Experiment s plazmovým prstenem v „ O původu kosmických magnetických polí “ (1961) Astrophysical Journal , sv. 133, s. 1049
  • 1961: Lindberg, L. & Jacobsen, C., „ O zesílení poloidálního magnetického toku v plazmě “ (1961) Astrophysical Journal , sv. 133, s. 1043
  • 1962: Filippov. NV, et al., „Hustá, vysokoteplotní plazma v necylindrické 2-pinch komprimaci“ (1962) 'Nuclear Fusion Supplement'. Pt. 2, 577
  • 1969: Buckwald, Robert Allen, „Hustá tvorba plazmatu zaměřená diskovou symetrií“ (1969) Thesis , Ohio State University .

Poznámky

externí odkazy