Войти
| Симметричный тор Мэдисона | |
|---|---|
 | |
| Тип устройства | Пинч с перевернутым полем |
| Место расположения | Мэдисон, Висконсин, США |
| Принадлежность | Университет Висконсина-Мэдисона |
| Ссылки | |
| Интернет сайт | Официальный сайт MST |
Madison Симметричный Torus ( MST) является обращенным полем пинч (RFP) физика эксперимент с приложениями к как термоядерной энергии исследований и астрофизической плазмы.
MST находится в Центре магнитной самоорганизации (CMSO) Университета Висконсин-Мэдисон.
RFP значительно отличаются от токамаков (наиболее популярной схемы магнитного удержания ) тем, что они, как правило, имеют более высокую плотность мощности и лучшие характеристики удержания для данного среднего магнитного поля. В RFP также, как правило, преобладают неидеальные явления и турбулентные эффекты.
Геометрия внутри симметричного тора Мэдисона. Как и в большинстве подобных экспериментов, плазма MST представляет собой тороидальный пинч, что означает, что плазма имеет форму бублика и удерживается магнитным полем, создаваемым большим током, протекающим через нее. MST относится к нетрадиционному классу машин, называемых пинчем с обращенным полем (RFP). RFP назван так потому, что тороидальное магнитное поле, пронизывающее плазму, спонтанно меняет направление на противоположное около края.
Обращенно поле пинч формируется аналогично другие тороидальными устройства прижимных, при движении тока через плазму от ассоциированной конденсаторной батареи или других источников питания высокого тока. В токамаке тороидальное поле намного сильнее полоидального, а в RFP - как раз наоборот. Фактически, в RFP внешнее тороидальное поле отключается вскоре после запуска.
Плазма в RFP также находится намного ближе к стене, чем в токамаке. Это допускает своеобразное расположение силовых линий магнитного поля, которые «релаксируют» в новое состояние, так что полная магнитная энергия в плазме сводится к минимуму и сохраняется общая магнитная спиральность. Релаксированное состояние, называемое состоянием Тейлора, отмечено своеобразным расположением силовых линий магнитного поля, где тороидальное магнитное поле на краю спонтанно меняет направление.
Как и большинство схем тороидального удержания, RFP основывается на кратковременном всплеске тока для создания плазмы и магнитных полей, которые ее ограничивают. Но для того, чтобы RFP был жизнеспособным кандидатом на получение энергии термоядерного синтеза, плазма должна поддерживаться постоянным источником тока. OFCD - это схема для управления установившимся током в расслабленной плазме путем добавления значительных колебательных возмущений в тороидальное и полоидальное поля, вводя в плазму как мощность, так и спиральность.
Нелинейная реакция в плазме объединяет два колебания таким образом, что в среднем поддерживается постоянный ток.
Одна из проблем, с которыми сталкивается RFP, - это подпитка горячего ядра плазмы напрямую, вместо того, чтобы полагаться на дейтерий, медленно просачивающийся через край. Инжектор гранул запускает замороженную гранулу дейтерия в плазму с помощью струи газа или механического удара. Гранула испаряется и ионизируется по мере продвижения в ядро плазмы.
Каждый градиент является источником свободной энергии, особенно если он проходит через магнитное поле. В MST ток в сердечнике сильнее, чем на краю. Этот пиковый профиль тока служит источником свободной энергии для магнитных флуктуаций, кульминацией которых являются вспышки насилия в плазме, называемые зубьями пилы.
PPCD смягчает этот эффект, пропуская ток на краю плазмы, сглаживая профиль тока. Небольшие импульсы добавляются к токам источника питания, которые возбуждают тороидальное поле. Результирующее импульсное тороидальное магнитное поле с помощью закона Фарадея создает полоидальное электрическое поле и, следовательно, полоидальный ток. Большое количество исследований MST посвящено изучению этого эффекта и его применению для усиленного удержания.
Чтобы инициировать длительную реакцию термоядерного синтеза, обычно необходимо использовать множество методов для нагрева плазмы. Инжекция нейтрального луча (NBI) включает инжекцию высокоэнергетического луча нейтральных атомов, обычно водорода или дейтерия, в ядро плазмы. Эти энергичные атомы передают свою энергию плазме, повышая общую температуру. Введенные нейтральные атомы не остаются нейтральными.
Когда луч проходит через плазму, атомы ионизируются, поскольку они отражаются от ионов в плазме. Поскольку магнитное поле внутри тора изогнуто в круг, можно надеяться, что быстрые ионы будут удерживаться в фоновой плазме. Сдержанные быстрые ионы замедляются фоновой плазмой, точно так же, как сопротивление воздуха замедляет бейсбольный мяч. Передача энергии от быстрых ионов плазме увеличивает температуру плазмы. Фактический инжектор можно увидеть из смотрового окна. Он выглядит как длинный серебряный цилиндр, лежащий на боку, но слегка наклоненный вниз относительно тора в задней части машины. Когда инжектор работает в импульсном режиме, напряжение 20000 вольт ускоряет луч до силы тока примерно 30 ампер примерно за 1,5 миллисекунды.
Проблемы могут возникнуть, если быстрые ионы не удерживаются в плазме достаточно долго, чтобы они могли передать свою энергию. Магнитные флуктуации мешают удержанию плазмы в этом типе устройств, скремблируя, как мы надеялись, магнитные поля с хорошим поведением. Если быстрые ионы подвержены такому поведению, они могут очень быстро улетучиваться. Однако есть свидетельства того, что это не так.
EBW является аббревиатурой от «Электронная волна Бернштейна» и названа в честь физика плазмы Иры Бернштейн.
Режим волны Бернштейна относится к методу инжекции энергии ионов или электронов (IBW или EBW) в плазму для повышения ее температуры в попытке достичь условий термоядерного синтеза. Плазма - это фаза вещества, которая возникает естественным образом во время молнии и электрических разрядов и которая создается искусственно в термоядерных реакторах для получения чрезвычайно высоких температур.
Это эксперимент по MST для нагрева плазмы и возбуждения электрического тока внутри плазмы.
В плазме внутри этой машины есть большой электрический ток; он отвечает за создание необходимых магнитных полей для создания конфигурации пинча с обращенным полем. Он также очень быстро нагревает плазму - так же, как и провода внутри тостера. Ваш тостер, вероятно, потребляет около 10 ампер тока, в то время как плазма в MST нагревается до 600 000 ампер. Но даже несмотря на то, что температура плазмы превышает 10 000 000 градусов по Фаренгейту, она недостаточно горячая для практической термоядерной энергии, и нам нужно найти другие способы передачи энергии в плазму. Электронно-лучевая сварка - это способ подачи микроволновой энергии для дальнейшего нагрева плазмы. Стандартная микроволновая печь производит около 1 кВт мощности на частоте 2,45 ГГц; эксперимент EBW в настоящее время производит 150 кВт на частоте 3,6 ГГц, и цель группы - увеличить мощность до более 2 МВт. Для выработки этого типа энергии (с ограниченным бюджетом) используется списанное военное радиолокационное оборудование и самодельные источники питания.
Вторая (и, возможно, более важная с научной точки зрения) цель эксперимента EBW - направить электрический ток в заданное место в плазме. Основной плазменный ток распределяется естественным образом, и плазма имеет тенденцию концентрировать ток в центре, оставляя меньше тока около края. Это может привести к нестабильности плазмы. Было показано (как теоретически, так и с помощью экспериментов на симметричном торе Мэдисона), что управляющий ток на краю делает плазму более устойчивой к колебаниям магнитного поля, что приводит к лучшему удержанию горячей плазмы и приводит к гораздо более высокой температуре. Использование EBW для управления этим стабилизирующим током было бы очень важным научным результатом. Возможность подавать очень специфический вспомогательный ток дает нам возможность оптимизировать наши текущие схемы привода. Нагрев также очень локализован, что позволяет нам изучить, насколько горячей (по крайней мере, локально) может стать плазма в рамках этой схемы магнитного удержания - в терминах физики плазмы это называется поиском бета-предела. Это вопрос без ответа для RFP, и он даст представление о том, можно ли масштабировать этот тип машины до экономичного и эффективного термоядерного реактора.
Зонд с пучком тяжелых ионов (HIBP) направляет ионы калия в плазму. Измеряя их траекторию, мы получаем профиль нескольких ключевых свойств внутри плазмы.
Этот универсальный диагностический инструмент использовался в экспериментах по термоядерному синтезу с магнитным удержанием для определения электрического потенциала, электронной плотности, электронной температуры и векторного магнитного потенциала плазмы.
Поток ионов натрия (первичный пучок) инжектируется из ионной пушки поперек магнитного поля в плазму. Когда однозарядные частицы проходят через плазму, они ионизируются, создавая двухзарядный вторичный пучок.
Затем вторичные компоненты обнаруживаются и анализируются вне плазмы. Изгибая траектории, магнитное поле отделяет вторичные ионы от первичных. Из-за этого только вторичные частицы, ионизированные в данном положении плазмы, достигают данного положения детектора. Это позволяет HIBP выполнять измерения, локализованные в позиции ионизации. Вторичный ток связан с локальной электронной плотностью и сечением ионизации первичных ионов, которое само по себе является функцией температуры электронов. Электрический потенциал может быть получен из разницы энергий между первичными и вторичными ионными пучками. Энергию вторичного пучка можно определить по углу, под которым он входит в анализатор энергии.
Система MST-HIBP состоит из:
FIR или дальний инфракрасный свет относится к свету с длиной волны от 1 до 10 мм. FIR-система в MST основана на FIR-лазерах, установленных в бежевой комнате лазерной безопасности справа от изображения, в коридоре второго этажа. В системе четыре FIR-лазера. Одним из них является СО 2 лазера, который производит непрерывную мощность около 120 Вт Этот луч затем разделен на три. Каждый луч оптически накачивает лазер на парах муравьиной кислоты, работающий на длине волны 432,6 мм и мощностью около 20 мВт. Система FIR имеет 2 режима работы: интерферометрия и поляриметрия.
Что измеряет диагностическая система FIR?
Плотность электронов, плотность тока плазмы и магнитное поле являются тремя важными параметрами плазмы MST. Система FIR используется для измерения их пространственного и временного распределения.
Как работает FIR-интерферометрия?
Подобно стеклу, плазма имеет показатель преломления, отличный от показателя преломления вакуума (или воздуха), который зависит от плотности электронов плазмы. Мы посылаем один лазерный луч через плазму (зондирующий луч), один через воздух (опорный луч) и измеряем разность фаз между ними. Эта экспериментальная конфигурация называется интерферометром Маха-Цендера. Измеренная фаза пропорциональна средней плотности электронов плазмы на пути луча.
В MST мы посылаем несколько зондирующих лучей (синие линии на рисунке) через плазму на разных радиусах. Затем мы применяем так называемую технику инверсии Абеля для получения профиля электронной плотности плазмы.
Как работает FIR поляриметрия?
Плазма также является оптически активной средой, что означает, что когда линейно поляризованная электромагнитная волна распространяется параллельно (или антипараллельно) магнитному полю, поляризация волны, выходящей из плазмы, будет поворачиваться на небольшой угол. Это называется вращением Фарадея, а угол - углом вращения Фарадея. Система FIR измеряет фарадеевское вращение, которое пропорционально средней линии электронной плотности, умноженной на составляющую магнитного поля, параллельную пути луча.
Причина вращения Фарадея заключается в следующем: когда волна с линейной поляризацией распространяется вдоль силовой линии магнитного поля, она расщепляется на компоненты с левой и правой круговой поляризацией. Разность фаз между ними на выходе из плазмы заставляет рекомбинированную линейно поляризованную волну поворачивать направление поляризации. В MST мы запускаем две совместно распространяющиеся волны, вращающиеся в противоположных направлениях, для исследования плазмы. Затем мы измеряем разность фаз между этими двумя лучами, которая будет в два раза больше угла фарадеевского вращения.
На рисунке каждый из 11 синих зондирующих лучей представляет собой комбинацию двух противоположно вращающихся лучей с круговой поляризацией, измеряющих углы фарадеевского вращения вдоль тех же хорд, что и интерферометр. Объединенные фазы интерферометра и углы вращения Фарадея затем могут быть объединены для определения распределения полоидального магнитного поля. Используя закон Ампера, можно также определить ток тороидальной плазмы.
Насколько хорошо работает система диагностики FIR?
Система FIR для MST очень точна. Угол фарадеевского вращения для плазмы MST обычно находится в пределах 5 градусов. Чтобы измерить такой слабый сигнал, мы достигли точности 0,06 градуса. Временное разрешение менее 1 микросекунды.
Какие темы исследований связаны с FIR?
FIR является важным инструментом для большинства исследовательских тем в MST, поскольку он предоставляет информацию об основных параметрах плазмы. Система измеряет плотность электронов, тороидальный ток, полоидальное магнитное поле и пространственные профили каждого из них.
В настоящее время мы изучаем возможность измерения тороидального магнитного поля и полоидального тока плазмы с помощью эффекта двулучепреломления плазмы или эффекта Коттона-Мутона. Когда линейно поляризованная электромагнитная волна распространяется перпендикулярно магнитному полю, показатель преломления зависит от того, является ли поляризация волны параллельной или перпендикулярной направлению магнитного поля.
Почему выбирают лазеры FIR?
Для плазменной поляриметрии- интерферометрии выбранная длина волны достаточно велика, чтобы обеспечить измеримые изменения фазы, вызванные плазмой, но достаточно короткая, чтобы избежать сложных взаимодействий плазменной волны, включая изгиб луча. В этом диапазоне длин волн доступно множество высокомощных молекулярных лазерных линий и множество имеющихся в продаже детекторов.
Что такое рассеяние Томсона?
Томсоновское рассеяние является результатом столкновения фотона (электромагнитной волны) с заряженной частицей, например электроном. Когда электрон и фотон «сталкиваются», электрон ощущает силу Лоренца от колеблющихся электрических и магнитных полей фотона и ускоряется. Это ускорение заставляет электрон испускать другой фотон в другом направлении. Этот испускаемый фотон имеет длину волны, смещенную от длины волны падающего фотона на величину, зависящую от энергии электрона. Другой способ взглянуть на это состоит в том, что электрон поглощает энергию фотона и повторно излучает энергию в форме другой электромагнитной волны. Это рассеяние фотона электроном называется томсоновским рассеянием.
Чем полезно томсоновское рассеяние для физиков плазмы?
Поскольку длина волны рассеянного фотона зависит от энергии рассеивающего электрона, томсоновское рассеяние - хороший способ измерить энергию электрона. Это делается путем создания фотона с известной длиной волны и измерения длины волны рассеянного фотона. В конфигурации Thomson Scattering в MST используется лазерная система Nd: YAG 1064 нм, которая дает лучшие в мире показания электронной температуры с временным разрешением. Мы создаем наши фотоны с помощью лазеров высокой мощности, которые светим в окно наверху MST и собираем рассеянные фотоны с помощью большой собирающей линзы сбоку от MST.
Распределение длин волн рассеянных фотонов говорит нам об энергетическом распределении электронов в плазме, давая нам прямой ненавязчивый способ получить температуру электронов. Количество фотонов, которые мы фактически собираем, также может кое-что сказать нам о плотности электронов в плазме.
Термоядерная плазма обычно возникает при ионизации нейтрального газа. В большинстве случаев в качестве плазменного топлива используется изотоп водорода - дейтерий. Таким образом, эта плазма в основном состоит из ионов дейтерия (плюс электроны), и необходимо диагностировать поведение этих ионов, чтобы понять соответствующую физику плазмы. Однако в любом термоядерном устройстве присутствуют и другие типы ионов («примеси»). Они существуют естественным образом из-за невозможности достичь идеального вакуума в термоядерном реакторе перед заправкой топлива. Таким образом, такие материалы, как водяной пар, азот и углерод, будут обнаруживаться в небольших количествах в типичных плазменных разрядах. Примеси также могут образовываться во время плазменных разрядов из-за взаимодействия плазмы со стенкой.
Эти взаимодействия в первую очередь вызывают выброс материала из стенки в плазму путем распыления. В симметричном торе Мэдисона (MST) свойства примесных ионов (например, углерода, кислорода и т. Д.) Тесно связаны со свойствами ионов дейтерия в результате сильного взаимодействия между частицами ионов. Таким образом, измерения примесных ионов в принципе могут предоставить прямую информацию об ионах дейтерия. Измерения температуры примесных ионов ( T i) и скорости потока ( v i) получают на MST с использованием спектроскопии рекомбинации заряда или CHERS.
Процесс CHERS можно разбить на два отдельных этапа: обмен заряда и радиационный распад. На первом этапе электрон передается от нейтрального атома (например, дейтерия) к примесному иону, у которого нет электронов (например, C +6). Во время этого переноса электрон обычно оказывается в возбужденном состоянии (высокий уровень энергии) примесного иона. Когда электрон распадается до основного состояния (минимального уровня энергии), сохранение энергии требует, чтобы примесный ион испускал излучение. Это излучение имеет дискретные значения энергии или длины волны, которые соответствуют разнице энергий между начальным и конечным атомными уровнями конкретного электронного перехода. Например, рассмотрим перезарядку между атомом дейтерия и ионом C +6: если электрон переносится на энергетический уровень иона углерода n = 7, то ион будет излучать излучение с дискретными энергиями, определяемыми разницей в энергии между п = 7 и п = 6 уровней, то п = 6 и п = 5 уровней, то п = 5 и п = 4 уровня, и так далее (вплоть до N = 1). Эта линия излучения уширена по доплеровскому закону в результате теплового движения ионов и смещена по доплеровскому сдвигу в результате потока ионов. Доплеровский сдвиг вызывает излучение, чтобы быть синим смещенной ( в сторону более коротких длин волн / выше частоты), если ионы движутся в направлении точки наблюдения, или красное смещение ( в сторону большей длины волны / нижняя частота), если поток находится далеко от точки наблюдения. Поэтому измерения формы линии эмиссии углерода используются для получения значений температуры и скорости примесных ионов.
Обмен зарядов: H + C +6 →
H +1 + C +5 ( n = 7, l = 6)
Радиационный распад: C +5 ( n = 7, l = 6) →
C +5 ( n = 6, l = 5) + h (фотон)
В типичном термоядерном устройстве плотность нейтральных атомов мала. Следовательно, количество излучаемого излучения, которое возникает в результате перезарядки между примесными ионами и нейтралами, также невелико. На MST нейтральная плотность увеличивается за счет инжекции быстрых атомов водорода через диагностический нейтральный пучок (DNB). В результате излучаемое излучение значительно увеличивается, хотя в основном вдоль пути инжекции луча (DNB расположен ниже палубы и не виден отсюда; путь инжекции проходит справа налево через плазму). Перпендикулярно пути луча имеется несколько оптических портов для наблюдения за плазмой в различных радиальных положениях. Для данного плазменного разряда в один из этих портов помещается система пучков волокон, которая используется для сбора излучения вдоль линии прямой видимости (черные трубки наверху устройства содержат оптику для сбора света; волокна помещаются в длинную, белая изогнутая трубка, когда она не используется). Это излучение направляется в спектрометр, где оно рассеивается в конечном диапазоне длин волн, который центрируется на интересующей линии излучения, с помощью пары оптических решеток. Однако, поскольку в собранном излучении преобладает излучение, идущее вдоль пути луча, измерения эффективно локализуются в объеме пересечения между обзором волокна и лучом. На MST этот объем пересечения мал (~ 2 см 3) по сравнению с объемом плазмы, что позволяет получать измерения T i и v i с пространственным разрешением. Данные, собранные из ряда плазменных разрядов, для которых расположение системы пучков волокон варьируется, используются для построения радиальных профилей температуры и скорости примесных ионов, что дает важную информацию для понимания физики плазмы в MST. Типичные температуры ионов, измеренные CHERS на MST, находятся в диапазоне от 100 до 800 эВ (от 2 до 17 миллионов градусов по Фаренгейту), в зависимости от положения в плазме и типа разряда. Аналогичным образом, измеренные скорости равновесных ионов составляют от 1000 до 10 000 метров в секунду.
