Magnetické zrcátko - Magnetic mirror

Toto ukazuje základní magnetický zrcadlový stroj zahrnující pohyb nabitých částic. Kroužky ve středu rozšiřují oblast omezení horizontálně, ale nejsou nezbytně nutné a na mnoha zrcadlových strojích se nenacházejí.

Magnetické zrcadlo , známý jako magnetické pasti (магнитный захват) v Rusku a krátce jako pyrotron v USA, je typ s magnetickým udržením zařízení používané v jaderné fúze , aby past vysokoteplotní plazmy za použití magnetického pole . Zrcadlo bylo jedním z prvních hlavních přístupů k fúzní energii spolu se stroji stellarator a z-pinch .

V klasickém magnetickém zrcadle je konfigurace elektromagnetů použita k vytvoření oblasti s rostoucí hustotou magnetických siločar na obou koncích oblasti omezení. Částice blížící se ke koncům zažívají rostoucí sílu, která nakonec způsobí, že obrátí směr a vrátí se do uzavřeného prostoru. K tomuto zrcadlovému efektu dojde pouze u částic v omezeném rozsahu rychlostí a úhlů přiblížení, ty mimo limity uniknou, čímž se zrcadla ze své podstaty stanou „děravá“.

Analýza zařízení pro ranou fúzi Edwarda Tellera poukázala na to, že základní koncept zrcadla je ze své podstaty nestabilní. V roce 1960 představili sovětští vědci novou konfiguraci „minima-B“, která to vyřešila a kterou poté britští vědci upravili na „baseballovou cívku“ a USA na uspořádání „magnetu jin-jang“. Každý z těchto úvodů vedl k dalšímu zvýšení výkonu, tlumil různé nestability, ale vyžadoval stále větší magnetické systémy. Koncept tandemového zrcadla , vyvinutý v USA a Rusku přibližně ve stejnou dobu, nabízel způsob, jak vyrábět energeticky pozitivní stroje, aniž by vyžadovaly obrovské magnety a příkon.

Koncem sedmdesátých let bylo mnoho konstrukčních problémů považováno za vyřešené a laboratoř Lawrence Livermore Laboratory zahájila návrh zařízení pro zrcadlové fúzní testování (MFTF) na základě těchto konceptů. Stroj byl dokončen v roce 1986, ale do této doby experimenty na menším Tandem Mirror Experiment odhalily nové problémy. V kole rozpočtových škrtů byl MFTF zastaven a nakonec sešrotován. Koncept fúzního reaktoru zvaný Bumpy torus využíval řadu magnetických zrcadel spojených v prstenci. Byl zkoumán v národní laboratoři Oak Ridge do roku 1986. Zrcadlový přístup od té doby zaznamenal menší rozvoj ve prospěch tokamaku , ale výzkum zrcadel dnes pokračuje v zemích jako Japonsko a Rusko.

Dějiny

Brzká práce

Zařízení Q-cumber Lawerence Livermore, viděné v roce 1955, kdy bylo ještě klasifikováno. Byla mezi prvními, kdo jasně demonstroval uvěznění pomocí zrcadlového efektu.

Koncept plazmatického uvěznění magnetickým zrcadlem navrhl na počátku 50. let nezávisle Gersh Budker z institutu Kurchatov v Rusku a Richard F. Post v národní laboratoři Lawrence Livermore v USA.

Vytvořením projektu Sherwood v roce 1951 zahájil Post vývoj malého zařízení pro testování konfigurace zrcátek. Ten sestával z lineární pyrexové trubice s magnety kolem vnějšku. Magnety byly uspořádány ve dvou sadách, jedna sada malých magnetů rozmístěných rovnoměrně po délce trubice a další pár mnohem větších magnetů na obou koncích. V roce 1952 byli schopni prokázat, že plazma v trubici byla uzavřena mnohem déle, když byly zapnuty zrcadlové magnety na konci. V té době označoval toto zařízení jako „pyrotron“, ale toto jméno se neujalo.

Nestability

V dnes již slavném rozhovoru o fúzi v roce 1954 Edward Teller poznamenal, že jakékoli zařízení s konvexními čarami magnetického pole bude pravděpodobně nestabilní, což je dnes problém známý jako nestabilita flétny . Zrcadlo má přesně takovou konfiguraci; magnetické pole bylo na koncích, kde se síla pole zvýšila, vysoce konvexní. To vedlo k vážným obavám Post, ale během příštího roku jeho tým nenašel žádné známky těchto problémů. V říjnu 1955 zašel tak daleko, že prohlásil, že „nyní se ukazuje, že v případě zrcadlového stroje alespoň tyto výpočty neplatí podrobně“.

V Rusku bylo první zrcadlo malého měřítka („probkotron“) postaveno v roce 1959 v Budkerově institutu jaderné fyziky v ruském Novosibirsku . Okamžitě viděli problém, na který Teller varoval. To vedlo k záhadě, protože americkým týmům pod Postem stále chyběly důkazy o takových problémech. V roce 1960 publikovali Post a Marshall Rosenbluth zprávu „poskytující důkazy o existenci plazmy omezené stabilitou ... kde nejjednodušší hydromagnetická teorie předpovídá nestabilitu“.

Na setkání o plazmatické fyzice v Saltzbergu v roce 1961 představila sovětská delegace značná data ukazující na nestabilitu, zatímco americké týmy nadále neukazovaly žádné. Záležitost vyřešila přímá otázka Lva Artsimoviče ; když se zeptal, zda jsou grafy vyráběné z přístrojů v amerických strojích upraveny pro známé zpoždění výstupu použitých detektorů, najednou vyšlo najevo, že zjevná stabilita 1 ms byla ve skutečnosti 1 ms zpoždění měření. Post byl nucen dospět k závěru „nyní nemáme jediný experimentální fakt naznačující dlouhé a stabilní uzavření plazmy horkými ionty v rámci jednoduché geometrie magnetického zrcadla“.

Nové geometrie

Baseball II byl supravodivou verzí konstrukce baseballové cívky, kterou jsme zde viděli v roce 1969 při stavbě.
Experiment 2X magnetické láhve z roku 1978. Na obrázku je Fred Coensgen. Válec drží jednu sadu neutrálních paprskových vstřikovačů, samotné zrcadlo není vidět.

Problém potenciálních nestabilit byl v této oblasti zvažován již nějakou dobu a byla zavedena řada možných řešení. Ty obecně fungovaly změnou tvaru magnetického pole, takže bylo všude konkávní, takzvaná konfigurace „minimum-B“.

Na stejném zasedání v roce 1961 představil Michail Ioffe data z experimentu s minimem B. Jeho návrh použil sérii šesti dalších proudových tyčí ve vnitřku jinak typického zrcadla, aby ohnul plazmu do tvaru zkrouceného motýlka a vytvořil konfiguraci s minimem B. Ukázali, že se tím výrazně zlepšily doby uvěznění v řádu milisekund. Dnes je toto uspořádání známé jako „Ioffe bary“.

Skupina v Culhamově centru pro fúzní energii poznamenala, že uspořádání Ioffe by bylo možné zlepšit spojením původních prstenů a tyčí do jediného nového uspořádání podobného švu na tenisovém míčku. Tento koncept byl převzat v USA, kde byl přejmenován po šití na baseballu. Tyto „baseballové cívky“ měly velkou výhodu v tom, že ponechaly vnitřní objem reaktoru otevřený a umožňovaly snadný přístup diagnostickým přístrojům. Na druhé straně byla velikost magnetu ve srovnání s objemem plazmy nepohodlná a vyžadovala velmi silné magnety. Post později představil další vylepšení, „cívky jin-jang“, které používaly dva magnety ve tvaru C k výrobě stejné konfigurace pole, ale v menším objemu.

V USA probíhaly velké změny v programu fúze. Robert Hirsch a jeho asistent Stephen O. Dean byli nadšeni obrovským pokrokem ve výkonu , který byl pozorován u sovětských tokamaků , což naznačovalo, že výroba energie je nyní skutečnou možností. Hirsch začal měnit program z programu, který se mu posmíval jako sérii nekoordinovaných vědeckých experimentů, na plánovanou snahu dosáhnout nakonec zlomu . V rámci této změny začal požadovat, aby současné systémy prokázaly skutečný pokrok, jinak by byly zrušeny. Hrbolatý torus , Levitron a Astron byly všechny opuštěné, ne bez boje.

Dean se setkal s Livermorovým týmem a dal jasně najevo, že Astron bude pravděpodobně pořezán a zrcadla se budou muset také vylepšit nebo také řezat obličej, což by způsobilo, že by laboratoř neměla žádné velké fúzní projekty. V prosinci 1972 se Dean setkal se zrcadlovým týmem a vyslovil sérii požadavků; jejich systémy by musely prokázat hodnotu nT 10 12 , ve srovnání se současným nejlepším číslem na 2XII z 8x10 9 . Po značných obavách vědců, že to nebude možné, Dean ustoupil na 10 11, což bylo prokázáno do konce roku 1975.

DCLC

Ačkoli se 2XII zdaleka nepřibližovalo úrovni potřebné podle Deanových požadavků, přesto dokázalo mimořádně úspěšně prokázat, že uspořádání jin-jang bylo funkční a potlačilo hlavní nestability pozorované v dřívějších zrcadlech. Ale jak experimenty pokračovaly až do roku 1973, výsledky se nezlepšovaly podle očekávání. Objevily se plány na hrubou sílu výkonu přidáním injekce neutrálního paprsku, aby se rychle zvýšila teplota ve snaze dosáhnout Deanových podmínek. Výsledkem bylo 2XIIB, B pro „paprsky“.

Zatímco se připravoval 2XIIB, v listopadu 1974 obdržel Fowler dopis od Ioffe obsahující sérii fotografií stop osciloskopu bez dalšího vysvětlení. Fowler si uvědomil, že prokázali, že vstřikování teplé plazmy během běhu zlepšuje uvěznění. Zdálo se, že to bylo kvůli dlouho očekávané a dosud neviditelné nestabilitě známé jako „drift-cyclotron loss-cone“ neboli DCLC. Ioffeovy fotografie ukázaly, že DCLC bylo vidět v sovětských reaktorech a zdálo se, že ho teplé plazma stabilizuje.

Reaktor 2XIIB zahájil skutečné experimenty v roce 1975 a okamžitě bylo vidět významné DCLC. Nepríjemné je, že účinek sílil, protože zlepšovaly provozní podmínky lepším vysáváním a čištěním interiéru. Fowler uznal, že výkon je totožný s Ioffeho fotografiemi, a 2XIIB byl upraven tak, aby do středu běhu vstřikoval teplou plazmu. Když byly výsledky vidět, byly popsány jako „sluneční světlo prorazilo mraky a byla šance, že bude vše v pořádku“.

Vylepšení Q a tandemová zrcátka

Experiment Tandem Mirror (TMX) v roce 1979. Jedno ze dvou zrcadel jin-jang lze vidět vystavené na konci blíže k fotoaparátu.

V červenci 1975 tým 2XIIB představil své výsledky pro nT na 7x10 10 , řádově lepší než 2XII a dostatečně blízko požadavkům Deana. Do této doby se Princeton Large Torus dostal online a nastavoval rekord za rekordem, což přimělo Hirsche začít plánovat ještě větší stroje na začátku 80. let s výslovným cílem zasáhnout breakeven neboli Q = 1. Toto se stalo známé jako Tokamak Fusion Test Reactor (TFTR), jehož cílem bylo provozovat palivo deuterium - tritium a dosáhnout Q = 1, zatímco budoucí stroje budou Q > 10.

S nejnovějšími výsledky na 2XIIB se zdálo, že větší design jin-jang také zlepší výkon. Výpočty však ukázaly, že dosáhne pouze Q = 0,03. I ty nejrozvinutější verze základního konceptu, s únikem na absolutně spodní hranici povolené teorií, mohly dosáhnout pouze Q = 1,2. Díky tomu byly tyto návrhy do značné míry nepoužitelné pro výrobu energie a Hirsch požadoval, aby to bylo vylepšeno, pokud by program pokračoval. Tento problém se stal známým jako „vylepšení Q“.

V březnu 1976 se tým Livermore rozhodl uspořádat pracovní skupinu na téma zlepšování Q na mezinárodním setkání fúzí v říjnu 1976 v Německu. O víkendu 4. července přišli Fowler a Post s myšlenkou tandemového zrcadla, systému sestávajícího ze dvou zrcadel na obou koncích velké komory, která pojala velké množství fúzního paliva při nižším magnetickém tlaku. V pondělí se vrátili do LLNL, aby zjistili, že myšlenku vyvinul nezávisle fyzik z personálu Grant Logan. Přivezli do Německa další rozvinuté verze těchto myšlenek, aby našli sovětského výzkumníka, který navrhoval úplně stejné řešení.

Po návratu ze schůzky se Dean setkal s týmem a rozhodl se vypnout systém Baseball II a přesměrovat jeho financování na projekt tandemového zrcadla. Vzniklo to jako Tandem Mirror Experiment neboli TMX. Konečný návrh byl představen a schválen v lednu 1977. Stavba tehdy největšího experimentu v Livermore byla dokončena v říjnu 1978. V červenci 1979 experimenty demonstrovaly, že TMX funguje podle očekávání.

Tepelné bariéry a MFTF

Ještě předtím, než se objevil koncept tandemového zrcadla, ministerstvo energetiky do té doby souhlasilo s financováním stavby mnohem většího zrcadla známého jako Mirror Fusion Test Facility neboli MFTF. V té době byl plán pro MFTF prostě být největším magnetem jin-jang, který by někdo mohl vymyslet, jak stavět. S úspěchem konceptu TMX byl design upraven tak, aby se stal MFTF-B, s využitím dvou největších magnetů jin-jang, každý mohl přijít na to, jak stavět v obrovské tandemové konfiguraci. Cílem bylo splnit Q = 5. Koncem roku 1978, kdy týmy začaly ve skutečnosti zvažovat kroky při rozšiřování TMX, bylo jasné, že jednoduše nedosáhne požadovaných cílů. V lednu 1979 Fowler práci zastavil s tím, že bude muset být nalezeno určité zlepšení.

Během experimentů na TMX bylo k překvapení všech zjištěno, že zákon zavedený Lymanem Spitzerem v 50. letech neplatí; přinejmenším v TMX bylo zjištěno , že elektrony na jakékoli jediné magnetické linii mají širokou škálu rychlostí, což bylo zcela neočekávané. Další práce Johna Clausera ukázala, že to bylo způsobeno teplým vstřikováním plazmy používaným k potlačení DCLC. Logan vzal tyto výsledky a použil je k vytvoření zcela nového způsobu omezení plazmy; pečlivým uspořádáním těchto elektronů by se dala vytvořit oblast s velkým počtem „chladných“ elektronů, které by přitahovaly kladně nabité ionty. Dave Baldwin poté ukázal, že to lze zlepšit pomocí neutrálních paprsků. Fowler odkazoval na výsledek jako na „tepelnou bariéru“, protože žhavější palivo bylo z těchto oblastí odpuzováno. Zdálo se, že dokáže udržet uvěznění s použitím mnohem méně energie než čistý koncept TMX.

Tento výsledek naznačoval, že MFTF nebude splňovat jen libovolné Q = 5, ale bude z něj skutečný konkurent tokamaků, které slibovaly mnohem vyšší hodnoty Q. Fowler zahájil návrh další verze MFTF, stále nazývané MFTF-B, na základě konceptu tepelné bariéry. laboratoř se rozhodla, že by měla začít stavět, bez jakýchkoli experimentálních důkazů, že koncept funguje, aby se konkurenční stroj dostal přibližně ve stejnou dobu jako TFTR. Zatímco se tento obrovský stroj stavěl, TMX by byl upraven, aby otestoval koncept.

Dne 28. ledna 1980 představil Fowler a jeho tým DOE své výsledky. Demonstrovali, že TMX fungoval, a vyzbrojeni dalšími daty od sovětů a počítačových simulací, představili plán zahájení stavby MFTF s 226 miliony dolarů a upgradem TMX, který přidá tepelné bariéry v TMX-U za 14 milionů dolarů. Tento návrh byl přijat a začala výstavba obou systémů, přičemž TMX se v září 1980 kvůli konverzi vypnul.

TMX-U selže, MFTF je zastaven

TMX -U zahájil experimenty v červenci 1982, kdy byly v budově 431. instalovány části MFTF o velikosti Boeingu 747. Když se však pokusili zvýšit hustotu plazmy na hodnoty, které by byly nutné pro MFTF, zjistili, že plazma unikající z centrální nádrže přemohla tepelné bariéry. Nebyl žádný zjevný důvod věřit, že by se totéž nestalo na MFTF. Pokud by sazby viděné v TMX-U byly typické, nebylo by možné, aby se MFTF vzdáleně přiblížil svým cílům Q.

Stavba MFTF, již zahrnutá v rozpočtu, pokračovala a systém byl 21. února 1986 prohlášen za oficiálně dokončený za konečnou cenu 372 milionů USD. Nový ředitel DOE, John Clarke, zároveň poděkoval týmu za jejich přínos při budování systému, rovněž oznámil, že na jeho provoz nebudou finance. Clarke později naříkal, že rozhodnutí zrušit projekt bylo velmi obtížné: „Bylo by to mnohem jednodušší, kdybych měl technické selhání, na které bych ukázal.“

Několik let seděl nevyužitý, protože měl šanci poskytnout provozní financování. Nikdy to nebylo a stroj byl nakonec sešrotován v roce 1987. DOE také omezilo financování většiny ostatních zrcadlových programů.

Po roce 1986

V Rusku pokračoval výzkum magnetických zrcadel, moderním příkladem je Gas Dynamic Trap , experimentální fúzní stroj používaný v Budkerově institutu jaderné fyziky v Akademgorodoku v Rusku. Tento stroj dosáhl poměru 0,6 beta po dobu 5E-3 sekund, při nízké teplotě 1 KeV.

Koncept měl řadu technických výzev, včetně udržování neak Maxwellovského rozložení rychlosti. To znamenalo, že místo toho, aby na sebe mnoho iontů s vysokou energií narazilo, se iontová energie rozšířila do zvonové křivky. Ionty poté zateplovaly, takže většina materiálu byla příliš chladná na to, aby se dala sloučit. Srážky také rozptýlily nabité částice natolik, že nemohly být zadrženy. Nakonec k úniku plazmy přispěly nestability rychlosti prostoru .

Magnetická zrcadla hrají důležitou roli v jiných typech zařízení s magnetickou fúzní energií, jako jsou tokamaky , kde je toroidní magnetické pole silnější na vnitřní straně než na vnější straně. Výsledné efekty jsou známé jako neoklasické . Magnetická zrcadla se vyskytují i ​​v přírodě. Například elektrony a ionty v magnetosféře budou odrážet sem a tam mezi silnějšími poli na pólech, což vede k Van Allenovým radiačním pásům .

Matematická derivace

Zrcadlový efekt lze zobrazit matematicky. Předpokládejme adiabatickou neměnnost magnetického momentu , tj. Že magnetický moment částice a celková energie se nemění. Adiabatická invariance je ztracena, když částice zaujímá nulový bod nebo zónu bez magnetického pole. Magnetický moment lze vyjádřit jako:

Předpokládá se, že μ zůstane konstantní, zatímco se částice přesune do hustšího magnetického pole. Matematicky, aby se to stalo, musí také stoupat rychlost kolmá na magnetické pole . Mezitím lze celkovou energii částice vyjádřit jako:

Pokud v oblastech bez elektrického pole zůstává celková energie konstantní, pak rychlost rovnoběžná s magnetickým polem musí klesnout. Pokud může jít do záporných hodnot, pak dojde k pohybu odpuzujícímu částici z hustých polí.

Zrcadlové poměry

Magnetická zrcadla mají zrcadlový poměr, který je matematicky vyjádřen jako:

Částice v zrcadle mají zároveň úhel stoupání . Toto je úhel mezi vektorem rychlosti částic a vektorem magnetického pole. Částice s malým úhlem stoupání překvapivě mohou ze zrcadla uniknout. Tyto částice jsou údajně ve ztrátovém kuželu . Odražené částice splňují následující kritéria:

Kde je rychlost částic kolmá na magnetické pole a jaká je rychlost částic?

Tento výsledek byl překvapivý, protože se očekávalo, že těžší a rychlejší částice nebo částice s menším elektrickým nábojem budou hůře odrážitelné. Rovněž se očekávalo, že menší magnetické pole bude odrážet méně částic. Avšak gyrorádius za těchto okolností je také větší, takže radiální složka magnetického pole pohledu částicí je také větší. Je pravda, že minimální objem a magnetická energie je větší v případě rychlých částic a slabých polí, ale požadovaný poměr zrcadla zůstává stejný.

Adiabatická invariance

Vlastnosti magnetických zrcadel lze odvodit pomocí adiabatické neměnnosti magnetického toku při změnách síly magnetického pole. Jak pole sílí, rychlost se zvyšuje úměrně druhé odmocnině B a kinetická energie je úměrná B. To lze považovat za účinný potenciál vázající částici.

Magnetické lahve

Tento obrázek ukazuje, jak se nabitá částice vývrtkou podél magnetických polí uvnitř magnetické láhve, což jsou dvě magnetická zrcadla umístěná blízko sebe. Částice se může odrážet od husté oblasti pole a bude zachycena.

Magnetické láhev je dva magnetické zrcadlo umístěné blízko u sebe. Například dvě paralelní cívky oddělené malou vzdáleností, přenášející stejný proud ve stejném směru, mezi nimi vytvoří magnetickou láhev. Na rozdíl od stroje s plným zrcadlem, který měl obvykle mnoho velkých prstenců proudu obklopujících střed magnetického pole, láhev má obvykle jen dva prstence proudu. Částice blízko obou konců láhve působí magnetickou silou směrem ke středu oblasti; částice s příslušnými rychlostmi se opakovaně spirálovitě pohybují z jednoho konce oblasti na druhý a zpět. K dočasnému zachycení nabitých částic lze použít magnetické lahve. Je snazší zachytit elektrony než ionty, protože elektrony jsou mnohem lehčí. Tato technika se používá k omezení vysoké energie plazmy při fúzních experimentech.

Podobným způsobem zachycuje nerovnoměrné magnetické pole Země nabité částice pocházející ze Slunce v oblastech kolem Země ve tvaru koblihy zvaných Van Allenovy radiační pásy , které byly objeveny v roce 1958 pomocí údajů získaných přístroji na palubě satelitu Explorer 1 .

Bikonické špičky

Bikonický hrot

Pokud je jeden z pólů v magnetické láhvi obrácen, stane se bikonickým hrotem , který může také obsahovat nabité částice. Bikonické hroty byly poprvé studovány Haroldem Gradem v Courant Institute , studie odhalily přítomnost různých typů částic uvnitř bikonického hrotu.

Viz také

Poznámky

Reference

Citace

Bibliografie

externí odkazy