Магнитное зеркало - Magnetic mirror

Это показывает базовую магнитную зеркальную машину, включающую движение заряженной частицы. Кольца в центре расширяют область удержания по горизонтали, но не являются строго необходимыми и не встречаются на многих зеркальных машинах.

А магнитное зеркало, известный как магнитная ловушка (магнитный захват) в России и кратко как пиротрон в США - это разновидность устройство магнитного удержания используется в термоядерная энергия удерживать высокую температуру плазма с помощью магнитные поля. Зеркало было одним из первых основных подходов к термоядерной энергии, наряду с стелларатор и z-щепотка машины.

В магнитном зеркале конфигурация электромагниты используется для создания области с увеличивающейся плотностью силовые линии магнитного поля на обоих концах изолятора. Частицы, приближающиеся к концам, испытывают нарастающую силу, которая в конечном итоге заставляет их менять направление и возвращаться в зону удержания.^[1] Этот зеркальный эффект будет происходить только для частиц в ограниченном диапазоне скоростей и углов приближения, те, которые находятся за пределами этих границ, ускользнут, делая зеркала по своей природе "просачивающимися".

Анализ ранних термоядерных устройств Эдвард Теллер указал, что основная концепция зеркала по своей сути нестабильна. В 1960 году советские исследователи представили новую конфигурацию «минимум-B» для решения этой проблемы, которая затем была модифицирована британскими исследователями в «бейсбольную катушку», а США - в «магнит инь-янь». Каждое из этих нововведений привело к дальнейшему повышению производительности, гашению различных нестабильностей, но требовало все более крупных магнитных систем. В тандемное зеркало Концепция, разработанная в США и России примерно в то же время, предложила способ создания энергоемких машин без использования огромных магнитов и потребляемой мощности.^{[не проверено в теле ]}

К концу 1970-х многие проблемы проектирования считались решенными, и Лаборатория Лоуренса Ливермора начал разработку Испытательная установка для зеркальной сварки (MFTF) на основе этих концепций. Машина была завершена в 1986 году, но к этому времени эксперименты над меньшим Эксперимент с тандемным зеркалом выявили новые проблемы. В результате урезания бюджета MFTF был законсервирован и в конечном итоге списан. С тех пор зеркальный подход получил меньшее развитие в пользу токамак, но зеркальные исследования продолжаются и сегодня в таких странах, как Япония и Россия.^[2]

Концепция термоядерного реактора под названием Бугристый тор использовали серию магнитных зеркал, соединенных в кольцо. Это было исследовано в Национальная лаборатория Окриджа до 1986 г.^[3]

История

Эксперимент с тандемным зеркалом (TMX) в 1979 году

Эксперимент с двойной магнитной бутылкой 1978 года. На фото Фред Коэнсген.

Концепция удержания плазмы магнитным зеркалом была предложена в середине 1950-х независимо Герш Будкер^[4] на Курчатовский институт, Россия и Ричард Ф. Пост^[5] на Национальная лаборатория Лоуренса Ливермора в США.

С образованием Проект Шервуд В 1951 году Пост начал разработку небольшого устройства для проверки конфигурации зеркала. Это состояло из линейного пирекс трубка с магнитами снаружи. Магниты были расположены в двух наборах: один набор небольших магнитов, равномерно распределенных по длине трубки, и еще одна пара гораздо более крупных магнитов на обоих концах. В 1952 году они смогли продемонстрировать, что плазма внутри трубки удерживалась гораздо дольше, когда были включены зеркальные магниты на конце. В то время он называл это устройство «пиротроном», но это название не прижилось.

В знаменитом выступлении о слиянии в 1954 г. Эдвард Теллер отметил, что любое устройство с выпуклыми линиями магнитного поля, вероятно, будет нестабильным, проблема сегодня известна как неустойчивость флейты. Зеркало имеет именно такую ​​конфигурацию, но дальнейшие эксперименты показали, что экспериментальные машины не страдали этой проблемой, хотя было гораздо больше практических проблем, ограничивающих их производительность.^{[нужна цитата ]}

В России первое малогабаритное зеркало («пробкотрон») было построено в 1959 г. Институт ядерной физики им. Будкера в Новосибирск, Россия. Они сразу увидели проблему, о которой их предупреждал Теллер. Чтобы решить эту проблему, магнитные поля в идеале должны быть вогнутыми. Это было решено М.С. Иоффе, который добавил ряд дополнительных токоведущих стержней внутри реактора, так что результирующее магнитное поле приняло форму скрученной бабочки, известной как конфигурация минимального B. Они продемонстрировали, что это значительно сократило время удержания до миллисекунд.^{[нужна цитата ]}

Тайна того, почему простые зеркала США не видят эту проблему, была обнаружена на встрече в 1961 году. Лев Арцимович спросил, как американская группа пришла к выводу, что у них стабильная плазма, длящаяся порядка миллисекунд. Это оказалось из-за показаний одного диагностического прибора. Когда Арцимович узнал, что они не учли задержку измерения в этих приборах, стало ясно, что американские зеркала страдали от этой проблемы все время. С этим открытием «батончики Иоффе» быстро нашли применение исследователям в США, Великобритании и Японии.^{[нужна цитата ]}

Катушки для тенниса / бейсбола

Группа на Culham Центр термоядерной энергии отметил, что расположение можно улучшить, объединив исходные кольца и стержни в единое новое устройство, подобное шву на теннисном мяче. Эта концепция была подхвачена в США, где она была переименована после вышивки бейсбольного мяча. Эти «бейсбольные катушки» имели большое преимущество, так как они оставляли внутренний объем реактора открытым, обеспечивая легкий доступ для диагностических приборов. С другой стороны, размер магнита по сравнению с объемом плазмы был неудобным и требовал очень мощных магнитов. Позже Пост представил дальнейшее усовершенствование, «катушки инь-ян», в которых использовались два С-образных магнита для создания такой же конфигурации поля, но в меньшем объеме.

Решив проблему серьезной нестабильности, исследователи обнаружили, что исходная герметичность конструкции также была намного выше, чем ожидалось. Это было связано с множеством недавно обнаруженных «микронестабильностей», из-за которых топливо попадало в «конус выхода» реактора и вытекало из концов зеркала. Подавление этих новых проблем занимало большую часть 1960-х годов.^{[нужна цитата ]}

К концу 1960-х годов удержание магнитного зеркала считалось жизнеспособным методом производства термоядерная энергия. В США усилия первоначально финансировались в рамках Комиссии по атомной энергии США ' Проект Шервуд. Проект машины был впервые опубликован в 1967 году.^[6] Концепция была поддержана Ричард Ф. Пост, Кеннет Фаулер, Фред Коэнсген и многие другие на Национальная лаборатория Лоуренса Ливермора.^[7] В результате пропаганды, холодной войны и Энергетический кризис 1970-х Программа массивных магнитных зеркал финансировалась федеральным правительством США.

Эта программа привела к созданию серии больших магнитных зеркальных устройств, включая: 2X,^[8] Бейсбол I, Бейсбол II.

Однако теоретические расчеты показали, что максимальное количество энергии, которое они могут произвести, будет примерно таким же, как энергия, необходимая для работы магнитов.^{[нужна цитата ]}

Тандемные зеркала

В 1970-х годах было разработано решение. Поместив бейсбольную катушку на обоих концах большого соленоида, вся сборка могла удерживать гораздо больший объем плазмы и, таким образом, производить больше энергии. В планах было построить большое устройство этой конструкции «тандемного зеркала», которое стало испытательной лабораторией Mirror Fusion (MFTF). Никогда раньше не пробуя использовать эту схему, меньшая машина, Эксперимент с тандемным зеркалом (TMX) был построен для тестирования этой схемы.^[9] TMX продемонстрировал новую серию проблем, которые предполагали, что MFTF не сможет достичь своих целей производительности,^[10] и во время строительства MFTF был изменен на MFTF-B. Сам TMX также был модернизирован до TMX-U.

Эти машины были построены и испытаны в Ливерморе с конца 1960-х до середины 1980-х годов.^[11] Ряд учреждений сотрудничали на этих машинах, проводя эксперименты. К ним относятся Институт перспективных исследований и Университет Висконсина-Мэдисона.^[12][13]

Последняя машина, Испытательная установка для зеркальной сварки составил 372 миллиона долларов, на тот момент самый дорогой проект в истории Ливермора. Он открылся 21 февраля 1986 года и был незамедлительно закрыт. Причина была в том, чтобы сбалансировать федеральный бюджет Соединенных Штатов.^[11] Эта программа была поддержана администрацией Картера и раннего Рейгана. Эдвин Э. Кинтнер, капитан ВМС США, под Элвин Trivelpiece. Кинтнер ушел в отставку в 1982 году с жалобой на то, что федеральное правительство не предоставило ресурсы, необходимые для исследования.^[14]

После 1986 года

Исследования магнитных зеркал продолжаются в России, одним из современных примеров является Газодинамическая ловушка, экспериментальная термоядерная установка, использованная на Институт ядерной физики им. Будкера в Академгородке, Россия. Эта машина достигла коэффициента бета 0,6 в течение 5E-3 секунд при низкой температуре 1 кэВ.

Концепция имела ряд технических проблем, включая поддержание немаксвелловского распределения скоростей. Это означало, что вместо столкновения множества высокоэнергетических ионов друг с другом энергия ионов распределялась по кривой колокола. Затем ионы термализовались, в результате чего большая часть материала оставалась слишком холодной для плавления. Столкновения также так сильно разбросали заряженные частицы, что их невозможно было удержать. Наконец, пространственная нестабильность скоростей способствовала выходу плазма.^{[нужна цитата ]}

Магнитные зеркала играют важную роль в других типах энергия магнитного синтеза такие устройства, как токамаки, где тороидальный магнитное поле на внутренней стороне сильнее, чем на внешней стороне. Результирующие эффекты известны как неоклассический. Магнитные зеркала также встречаются в природе. Электроны и ионы в магнитосфера, например, будет подпрыгивать назад и вперед между более сильными полями на полюсах, что приведет к Радиационные пояса Ван Аллена.^{[нужна цитата ]}

Математический вывод

Зеркальный эффект можно показать математически. Предполагать адиабатическая инвариантность магнитного момента, т.е. магнитный момент и полная энергия частицы не изменяются.^[15] Адиабатическая инвариантность теряется, когда частица занимает нулевую точку или зону отсутствия магнитного поля.^[16] Магнитный момент можно выразить как:

${displaystyle mu ={frac {mv_{perp }^{2}}{2B}}}$

Предполагается, что μ останется постоянным, пока частица движется в более плотное магнитное поле. Математически, чтобы это произошло, скорость, перпендикулярная магнитному полю ${displaystyle v_{perp }}$ также должен подняться. Между тем полная энергия частицы ${displaystyle {mathcal {E}}}$ можно выразить как:

${displaystyle {mathcal {E}}=qphi +{frac {1}{2}}mv_{parallel }^{2}+{frac {1}{2}}mv_{perp }^{2}}$

В областях без электрического поля, если полная энергия остается постоянной, скорость, параллельная магнитному полю, должна падать. Если он может стать отрицательным, то есть движение, отталкивающее частицу от плотных полей.^{[нужна цитата ]}

Зеркальные соотношения

Сами магнитные зеркала имеют зеркальное отношение математически это выражается как:^[17]

${displaystyle r_{ ext{mirror}}={frac {B_{ ext{max}}}{B_{ ext{min}}}}}$

В то же время частицы внутри зеркала имеют угол наклона. Это угол между вектором скорости частиц и вектором магнитного поля.^[18] Удивительно, но частицы с малым углом наклона могут вылетать из зеркала.^[19] Говорят, что эти частицы находятся в конус потерь. Отраженные частицы соответствуют следующим критериям:^[20]

${displaystyle {frac {v_{perp }}{v}}>{frac {1}{sqrt {r_{ ext{mirror}}}}}}$

Где ${displaystyle v_{perp }}$ - скорость частицы, перпендикулярная магнитному полю, и ${displaystyle v}$ скорость частицы.

Этот результат был неожиданным, потому что ожидалось, что более тяжелые и быстрые частицы или частицы с меньшим электрическим зарядом будет труднее отразить. Также ожидалось, что меньшее магнитное поле будет отражать меньше частиц. Тем не менее гирорадиус в этих условиях также больше, так что радиальная составляющая магнитного поля, видимого частицей, также больше. Верно, что минимальный объем и магнитная энергия больше для случая быстрых частиц и слабых полей, но требуемое зеркальное отношение остается прежним.

Адиабатическая инвариантность

Свойства магнитных зеркал можно получить, используя адиабатическая инвариантность магнитного потока при изменении напряженности магнитного поля. По мере того как поле становится сильнее, скорость увеличивается пропорционально квадратному корню из B, а кинетическая энергия пропорциональна B. Это можно рассматривать как эффективный потенциал, связывающий частицу.^{[нужна цитата ]}

Магнитные бутылки

На этом изображении показано, как заряженная частица будет двигаться вдоль магнитных полей внутри магнитной бутылки, которая представляет собой два магнитных зеркала, расположенных близко друг к другу. Частица может отразиться от области плотного поля и будет захвачена.

А магнитная бутылка два магнитных зеркала, расположенные близко друг к другу. Например, две параллельные катушки, разделенные небольшим расстоянием и несущие одинаковый ток в одном направлении, образуют между собой магнитную бутылку. В отличие от полнозеркальной машины, которая обычно имеет много больших колец тока, окружающих середину магнитного поля, в бутылке обычно всего два кольца. Частицы около обоих концов бутылки испытывают магнитную силу по направлению к центру области; частицы с соответствующими скоростями многократно спиралевидно перемещаются от одного конца области к другому и обратно. Магнитные бутылки могут использоваться для временного улавливания заряженных частиц. Легче поймать электроны чем ионы, потому что электроны намного легче^[21] Этот метод используется для ограничения высокой энергии плазмы в термоядерных экспериментах.

Подобным образом неоднородное магнитное поле Земли улавливает заряженные частицы, исходящие от Солнца, в областях вокруг Земли в форме пончика, называемых Радиационные пояса Ван Аллена, которые были обнаружены в 1958 году с использованием данных, полученных с помощью приборов на борту Исследователь 1 спутник.

Биконические бугры

Биконический куспид

Основная статья: Биконический бугорок

Если один из полюсов магнитной бутылки перевернуть, она станет биконический бугорок, который также может удерживать заряженные частицы.^[22][23][24] Биконические створки впервые были изучены Гарольд Град на Курантский институт, исследования показывают наличие различных типов частиц внутри биконического каспа.

Смотрите также

• Список статей по плазме (физике)
• Polywell

Рекомендации

1. Фитцпатрик, Ричард. «Магнитные зеркала». Домашняя страница Ричарда Фицпатрика. Техасский университет в Остине, 31 марта 2011 г. Web. 19 июля 2011 г.
2. T.C. Симонен, Три открытия, которые меняют правила игры: более простая концепция синтеза? J. Fusion Energ., Февраль 2016 г., том 35, выпуск 1, стр. 63-68. doi:10.1007 / s10894-015-0017-2
3. Укан, Дандл, Хендрик, Беттис, Лидски, Макалис, Санторо, Уоттс, Йе (январь 1977 г.). "РЕАКТОР ELMO BUMPY TORUS (EBT)". Osti Dot Gov. Национальная лаборатория Окриджа. Получено 1 июня, 2017.
4. На русском: Г.И. Будкер, Физика плазмы и проблема управляемых термоядерных сил, Т. 3, Изд. АН СССР, Москва (1958), стр. 3–31; на английском языке: Г. И. Будкер, Физика плазмы и проблема управляемых термоядерных реакций, Т. 3, Pergamon Press, Нью-Йорк (1959), стр. 1-33.
5. R. F. Post, Proc. Второй мировой войны ООН Конф. о мирном использовании атомной энергии, Vol. 32, Документ A / Conf. 15 / P / 377, Женева (1958), стр. 245–265.
6. Келли Г. Г., Физика плазмы. 2, 503 (1967)
7. «Зеркальные системы: топливные циклы, сокращение потерь и рекуперация энергии» Ричарда Ф. Поста, конференции по ядерному термоядерному реактору BNES в лаборатории Калхэма, сентябрь 1969 года.
8. Основы физики плазмы, Николас Кролл, 1973, стр. 273
9. «Предложение основного проекта TMX» Фред Коэнсген, 12 января 1977 г.
10. "Сводка результатов эксперимента с тандемным зеркалом, группа TMX, 26 февраля 1981 г.
11. Бут, Уильям. «Нафталиновый шарик Fusion стоимостью 372 миллиона долларов». Science [Нью-Йорк], 9 октября 1987 г., том 238, изд .: 152-55. Распечатать.
12. "Потери ионов из зеркальной ловушки с торцевой пробкой" Д. П. Чернин, ядерный синтез 18 (1978)
13. «Эксперименты в тандемном зеркале, поддерживаемые и нагреваемые исключительно радиочастотами» Р. Брейн, Physical Review Letters, 21 декабря 1981 г.
14. КОППЕЛЬ, НИКО. «Эдвин Э. Кинтнер, пионер атомной энергетики, умер в возрасте 90 лет». Нью-Йорк Таймс, научный отдел. Нью-Йорк Таймс, 20 мая 2010 г. Интернет. 17 апреля 2011 г. <https://www.nytimes.com/2010/05/21/science/21kintner.html?_r=1 >
15. Ф. Чен, Введение в физику плазмы и управляемый синтез (Пленум, Нью-Йорк, 1984), т. 1. С. 30–34. ISBN  978-0-306-41332-2
16. Т. Г. Нортроп, "Адиабатическое движение заряженных частиц" (Интерсайенс, Нью-Йорк, 1963)
17. «Скорости потерь частиц из электростатических скважин с произвольными зеркальными отношениями». Физика жидкостей 28.1 (1985): 352-57. Интернет. 15.
18. Долан, Т. Дж. "Магнитное удержание электростатической плазмы". Физика плазмы и управляемый синтез 36 (1994): 1539-593. Распечатать.
19. Дж. Гибсон, Уиллард С. Джордан, Юджин Лауэр, Physical Review Letters, 5: 141 (1960)
20. Основы физики плазмы, Н. Кралл, 1973, стр. 267
21. «Смещенный зондовый анализ формирования потенциальной ямы только в электронном магнитном поле Поливелла с низким бета-коэффициентом» Physics of Plasma, 9 мая 2013 г., том 20, 052504
22. Движение заряженной частицы около точки нулевого поля (на английском языке). Нью-Йорк: Нью-Йоркский университет: Институт математических наук Куранта. 1961 г.
23. Град, Х. Теория геометрий с выступами, I. Общий обзор, NYO-7969, Inst. Математика. Наук, Нью-Йорк, 1 декабря 1957 г.
24. Беровиц, Х. Град и Х. Рубин, в трудах второй Международной конференции Организации Объединенных Наций по использованию атомной энергии в мирных целях, Женева, 1958 г., том 31, стр. 177

внешняя ссылка

• Конспект лекций Ричарда Фицпатрика