Spheromak

:Not para confundirse con tokamak esférico, otro tema en investigación de la fusión.

Un spheromak es un arreglo de plasma formado en una forma de toroidal similar a un anillo del humo. El spheromak contiene corrientes eléctricas internas grandes y sus campos magnéticos asociados arreglados por tanto las fuerzas de magnetohydrodynamic dentro del spheromak casi se equilibran, causando longevo (microsegundo) tiempos de confinamiento sin campos externos. Spheromak pertenece a un tipo de la configuración plasma referida como toroids compacto.

La física del spheromak y sus colisiones es similar a una variedad de acontecimientos astrofísicos, como lazos de la guirnalda y filamentos, aviones a reacción relativistas y plasmoids. Son particularmente útiles para estudiar acontecimientos de nueva conexión magnéticos, cuando dos o más spheromaks chocan. Spheromaks son fáciles a generar la utilización de "un arma" que expulsa spheromaks del final de un electrodo en un área de la posesión, llamada el flujo conserver. Esto los ha hecho útiles en el ajuste de laboratorio, y las armas spheromak son relativamente comunes en laboratorios de la astrofísica. Estos dispositivos a menudo, de manera confusa, se mandan a simplemente como "spheromaks" también; el término tiene dos sentidos.

Spheromaks se han propuesto como un concepto de la energía de la fusión magnético debido a sus tiempos de confinamiento largos, que estaba a la misma orden que mejor tokamaks cuando se estudiaron primero. Aunque tuvieran algunos éxitos durante los años 1970 y los años 80, estos pequeños dispositivos y dispositivos de la energía inferior habían limitado el rendimiento y la mayor parte de investigación spheromak terminada cuando la financiación de la fusión dramáticamente se redujo a finales de los años 1980. Sin embargo, a finales de la investigación de los años 1990 demostró que spheromaks más calientes tienen mejores tiempos de confinamiento, y esto llevó a una segunda onda de máquinas spheromak. Spheromaks también han sido usados para inyectar el plasma en un experimento de confinamiento magnético más grande como un tokamak.

Historia

El spheromak se ha sometido a varios períodos distintos de la investigación, con los mayores esfuerzos durante los años 1980 y una reaparición en los años 2000.

Trabajo de fondo en astrofísica

Un concepto clave en el entendimiento del spheromak es helicity magnético, un valor que describe el "twistedness" del campo magnético en un plasma.

El trabajo más temprano de estos conceptos fue desarrollado por Hannes Alfvén en 1943, que le ganó el Premio Nobel de 1970 en la Física. Su desarrollo del concepto de ondas de Alfvén explicó la dinámica larga de plasma como corrientes eléctricas que viajan dentro de ellos campos magnéticos producidos que, a una manera similar a un dínamo, dieron ocasión a nuevas corrientes. En 1950, Lundquist experimentalmente estudió ondas de Alfvén en el mercurio e introdujo la caracterización número de Lundquist, que describe la conductividad del plasma. En 1958, Woltjer, que trabaja en plasmas astrofísico, notó que esto se conserva, que implica que un campo tortuoso intentará mantener su tortuoso hasta con fuerzas externas aplicadas a ello.

Comenzando en 1959, Alfvén y un equipo incluso Lindberg, Mitlid y Jacobsen construyeron un dispositivo para crear pelotas de plasma para el estudio. Este dispositivo era idéntico al "inyector coaxial moderno" dispositivos (véase abajo) y los experimentadores se sorprendieron encontrar varios comportamientos interesantes. Entre éstos era la creación de anillos estables de plasma. A pesar de sus muchos éxitos, en 1964 los investigadores dieron vuelta a otras áreas y el concepto del inyector están inactivo durante dos décadas.

Trabajo de fondo en fusión

En 1951 los primeros grandes esfuerzos producir la fusión controlada para la producción de energía comenzaron de veras. Estos experimentos tempranos generalmente usaban alguna clase del poder pulsado de entregar las fuerzas magnéticas grandes requeridas en los experimentos. La magnitud de estas corrientes y las fuerzas que produjeron era sin precedentes. En 1957 Harold Furth, Levine y Waniek publicaron un documento sobre la dinámica de imanes grandes, que demostraron que el factor restrictivo en el rendimiento del imán era físico; las tensiones en el imán vencerían sus propios límites mecánicos. Propusieron de girar estos imanes de tal modo que las fuerzas dentro de las cuerdas del imán anuladas, la "condición sin fuerzas". Aunque no se conociera entonces, esto es el mismo campo magnético que en un spheromak.

En 1957 la máquina ZETA comenzó la operación en el Reino Unido. ZETA era entonces sin duda el dispositivo de la fusión más grande y más potente en el mundo. Funcionó hasta 1968, por cual punto muchos dispositivos correspondieron a su talla. Durante su operación, el equipo experimental notó que de vez en cuando el plasma mantendría el confinamiento mucho después de la carrera experimental había terminado aparentemente, aunque esto no se estudiara en profundidad entonces. Unos años más tarde en 1974, John Bryan Taylor hizo la gran zancada en la caracterización de estos plasmas autoestables, que llamó "quieto". Desarrolló el concepto de equilibrio del estado de Taylor, un estado de plasma que conserva helicity en su estado de la energía más bajo posible. Esto llevó a un renacer de la investigación torus compacta.

Después de ZETA el concepto del z-pellizco "clásico" se cayó del favor, y el theta-pellizco más nuevo vio un nivel reducido de la actividad. Trabajando en tal máquina a principios de los años 1960, un diseñado con un área del pellizco cónica, Bostick y Wells encontró que la máquina a veces creaba anillos estables de plasma. Una serie de máquinas para estudiar el problema seguido, y en una de estas medidas de sonda magnéticas encontró el perfil del campo magnético toroidal de un spheromak; el campo toroidal era el cero en el eje, se elevó a un máximo a algún punto interior, y luego fue al cero en la pared. Sin embargo, el theta-pellizco no pudo alcanzar las condiciones de gran energía necesarias para la fusión, y el interés al sistema menguó. A pesar de estas indirectas seductoras del comportamiento interesante, la mayor parte de trabajo del theta-pellizco había terminado antes de los años 1970.

La edad de oro

El concepto clave en la energía de la fusión magnética (MFE) es el criterio de Lawson, una combinación de la temperatura plasma, densidad y tiempo de confinamiento. Los dispositivos de la fusión generalmente caían a dos clases, máquinas pulsadas como el z-pellizco que intentó alcanzar densidades altas y temperaturas pero sólo durante microsegundos, mientras los conceptos del estado de equilibrio como el stellarator y espejo magnético intentaron alcanzar el criterio de Lawson durante tiempos de confinamiento más largos.

El trabajo de Taylor sugirió que plasmas autoestable sería una manera simple de acercarse al problema a lo largo del eje del tiempo de confinamiento. El trabajo de Taylor provocó una nueva ronda del desarrollo teórico. En 1979 Rosenbluth y Bussac publicaron unas generalizaciones de descripción de papel del trabajo de Taylor, incluso un estado de la energía mínimo esférico que tiene el cero toroidal campo en la superficie saltadora. Esto significa que no hay ninguna corriente por fuera conducida en el eje del dispositivo y así no hay ningunos rollos de campaña toroidal externos. Pareció que este enfoque tendría reactores de la fusión en cuenta del diseño enormemente más simple que stellarator predominante y enfoques de tokamak.

Varios dispositivos experimentales surgieron casi durante la noche. Los pozos, reconociendo sus experimentos más tempranos como ejemplos de estos plasmas, estaban ahora en la universidad de Miami y comenzaron a juntar la financiación para un nuevo dispositivo que combina dos de sus sistemas del theta-pellizco cónicos más tempranos, que surgieron como Trisops. En Japón, la universidad de Nihon construyó el PS-1, que usó una combinación de theta y pellizcos de zeta para producir spheromaks. Harold Furth fue excitado por la perspectiva de un menos - solución cara de la cuestión de confinamiento y comenzó el S1 en el Laboratorio de la Física de Plasma de la Princeton, que usó la calefacción inductiva. Muchos de estos experimentos tempranos fueron resumidos por Furth en 1983.

Éstos temprano experimentos de MFE culminaron en el Experimento de Torus Compacto (CTX) en Los Alamos. Esto era el dispositivo más grande y más potente de esta era, generando spheromaks con corrientes superficiales de 1 MAMÁ, temperaturas de 100 eV y betas de electrones máximas más del 20%. CTX también experimentó con métodos de introducir de nuevo la energía en spheromak totalmente formado a fin de responder a pérdidas en la superficie. A pesar de estos éxitos tempranos, antes de finales de los años 1980 el tokamak había superado los tiempos de confinamiento del spheromaks por ordenes de magnitud. Por ejemplo el AVIÓN A REACCIÓN conseguía tiempos de confinamiento a las órdenes de 30 segundos.

El acontecimiento principal que terminó la mayor parte de trabajo de spheromak no era técnico; la financiación para el programa de la fusión estadounidense entero dramáticamente se redujo en FY86 y muchos de los "enfoques alternos", que incluye spheromaks, eran defunded. Los experimentos existentes en los EE.UU siguieron hasta que su financiación se agotara, mientras los programas más pequeños en otra parte, notablemente en Japón y la nueva máquina SPHEX en el Reino Unido, siguieron de 1979-1997. CTX ganó la financiación adicional del Departamento de Defensa y siguió experimentos hasta 1990; las últimas carreras mejoraron temperaturas hasta 400 eV, y tiempos de confinamiento a la orden de 3 milisegundos.

Astrofísica

Los datos y la teoría de estos experimentos no fueron a la basura; durante principios de los años 1990 su trabajo era ampliamente usado por la comunidad de la astrofísica para explicar varios acontecimientos y el spheromak se estudió como un complemento a dispositivos de MFE existentes.

D.M. Rust y A. Kumar eran particularmente activos en la utilización de conceptos spheromak-relacionados de helicity magnético y relajación para estudiar prominencias solares. El trabajo similar fue realizado en Caltech por Bellan y Hansen en Caltech y el Experimento de Swarthmore Spheromak (SSX) proyecto en el Colegio de Swarthmore.

Accesorio de la fusión

Un poco de trabajo de MFE siguió durante este período, casi todo usando spheromaks como dispositivos accesorios para otros reactores. Caltech e INRS-EMT en Canadá ambos usados aceleraron spheromaks como una manera de poner carburante a tokamaks. Los otros estudiaron el uso de spheromaks para inyectar helicity en tokamaks, finalmente llevando al dispositivo de Helicity Injected Spherical Torus (HIST) y conceptos similares para varios dispositivos existentes.

Defensa

Martillo, Hartman et al. mostró que spheromaks se podría acelerar a velocidades muy altas usando un railgun, y esto llevó a varios usos propuestos. Entre éstos era el uso de tal plasmas como "balas" para disparar en cabezas nucleares de entrada con la esperanza que las corrientes eléctricas asociadas interrumpirían su electrónica. Esto llevó a experimentos en el sistema de la Estrella Shiva, aunque éstos se anularan a mediados de los años 1990.

Otras esferas

Otros usos propuestos incluyeron el tiroteo spheromaks en objetivos metálicos para generar destellos de la radiografía intensos como una fuente que pone en vídeo inverso para otros experimentos. A finales de los años 1990 spheromak conceptos se aplicaron hacia el estudio de la física plasma fundamental, notablymagnetic nueva conexión. Las máquinas duales-spheromak se construyeron en la universidad de Tokio, Princeton Colegio de Swarthmore y (MRX).

Renacimiento en MFE

Entonces, en 1994, la historia de la fusión se repitió. T. Kenneth Fowler resumía los resultados de las carreras experimentales del CTX en los años 1980 cuando notó que el tiempo de confinamiento era proporcional a la temperatura del plasma. Esto es inesperado; la ley de gas ideal generalmente declara que las temperaturas más altas en un área de confinamiento dada llevarán a la densidad más alta y la presión. En dispositivos convencionales como el tokamak esta temperatura/presión aumentada aumenta la turbulencia que dramáticamente baja el tiempo de confinamiento. Si el spheromak realmente diera el confinamiento mejorado con la temperatura aumentada, esto sería enormemente importante. Una serie de papeles similares siguió, todo de cual sugerido que podría haber un "camino rápido" a un nivel de la ignición spheromak el reactor.

La promesa era tan grande que varios nuevos experimentos de MFE comenzaron a estudiar estas cuestiones. Notable entre éstos es el Experimento de la Física Spheromak Sostenido (SSPX) en LLNL, que estudia los problemas de generar spheromaks de larga duración a través de la inyección electrostática de helicity adicional. Permanece confuso si el spheromak puede alcanzar una combinación conveniente de tiempo de confinamiento y temperatura para hacer un reactor de la fusión práctico.

Teoría

Fuerce vórtices plasma libres tienen helicity magnético uniforme y por lo tanto son estables contra muchos instabilities. Típicamente, los decaimientos corrientes más rápido en las regiones más frías hasta el declive en helicity son bastante grandes para permitir una redistribución turbulenta de la corriente.

Los vórtices libres de la fuerza siguen las ecuaciones siguientes.

:

\vec {\\nabla} \times \vec {B} &= \alpha\vec {B} \\

\vec {v} &= \pm\beta\vec {B }\

Los \end {alinean} </matemáticas>

La primera ecuación describe Lorentz fluido sin fuerzas: las fuerzas están en todas partes el cero. Para un plasma de laboratorio el α es una constante y β es una función escalar de coordenadas espaciales.

Note que, a diferencia de la mayor parte de estructuras plasma, la fuerza de Lorentz y la fuerza de Magnus, desempeñan papeles equivalentes. es la densidad de masas.

Las superficies del flujo magnético en un spheromak son toroidal, con el ser corriente totalmente toroidal en el corazón del torus y totalmente poloidal en la superficie del torus. Esto es similar a la configuración de campaña de un tokamak, salvo que los rollos que producen el campo son más simples y no penetran el plasma torus.

Spheromaks son sujetos a fuerzas externas, notablemente el declive termal entre el plasma caliente y sus alrededores más chulos. Generalmente esto lleva a una pérdida de la energía en la superficie externa del spheromak aunque radiación del cuerpo negro, llevando a un declive termal en el propio spheromak. Los viajes corrientes eléctricos más despacio en las secciones más chulas, finalmente llevando a una redistribución de energía dentro y turbulencia finalmente destruyen el spheromak.

Creación spheromaks

Spheromaks se forman naturalmente bajo una variedad de condiciones, permitiéndoles generarse de varios modos. Estos dispositivos también a veces se mandan a como spheromaks.

El dispositivo moderno más común es "el arma de Marshall" o "inyector". El dispositivo consiste en dos cilindros cerrados, un interior el otro. El cilindro interior es más corto, dejando un espacio vacío en el fondo. Un electroimán dentro del cilindro interior es usado para establecer un campo inicial. El campo es similar al que de un imán de la barra, dirigiendo verticalmente abajo el centro del cilindro interior y el exterior del aparato. El imán se coloca de modo que el área donde los lazos de campaña del centro al exterior, donde las líneas de campaña son aproximadamente horizontales, se alinee con el fondo del cilindro interior.

Un pequeño soplo de gas se introduce en el área entre los cilindros. Una carga eléctrica grande suministrada por un banco del condensador se aplica a través de los cilindros, ionizando el gas. Las corrientes inducidas en el plasma que resulta se relacionan con el campo magnético original, generando una fuerza de Lorentz que aparta el plasma del cilindro interior, en el área vacía. Después de un período corto el plasma se estabiliza en un spheromak.

Otros dispositivos comunes incluyen el theta-pellizco sin límites determinados o cónico, donde se investigaron primero en profundidad, y máquinas que los generan magnéticamente en un estado de equilibrio.

Ya que el confinamiento magnético del spheromak se autogenera, ningunos rollos del imán externos se requieren. Sin embargo, el spheromak realmente experimenta la "perturbación inclinativa" que permite que él gire dentro del área de confinamiento. Esto se puede dirigir con imanes externos, pero más a menudo el área de confinamiento se envuelve en un conductor, típicamente cobre. Cuando el borde del spheromak torus se acerca a la superficie de concudtive, se induce una corriente en ello que, a través de la ley de Lenz, reacciona para empujar el spheromak atrás en el centro de la cámara.

También es posible conseguir el mismo efecto con un conductor solo que agota el centro de la cámara, a través del "agujero" en el centro del spheromak. Como las corrientes de este conductor se autogeneran, añade poca complejidad al diseño. Sin embargo, la estabilidad se puede mejorar adelante dirigiendo una corriente externa en el conductor central. Como las balanzas corrientes se acerca a las condiciones de tokamak tradicional, pero en una talla mucho más pequeña y forma más simple. Esta evolución llevó a la investigación considerable en tokamak esférico durante los años 1990.

Véase también

Notas

Bibliografía

Enlaces externos



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