Gęste skupienie plazmy - Dense plasma focus

Nacisk gęstej plazmy ( DPF ) jest rodzajem plazmy układu wytwarzającego pierwotnie opracowany jako energii termojądrowej urządzenia rozruchowego na początku 1960 roku. System wykazał prawa skalowania, które sugerowały, że nie będzie użyteczny w roli energii komercyjnej, a od lat 80. XX wieku był używany głównie jako system nauczania syntezy jądrowej oraz jako źródło neutronów i promieni rentgenowskich .

Oryginalna koncepcja została opracowana w 1954 roku przez NV Filippova, który zauważył ten efekt podczas pracy nad wczesnymi maszynami dociskowymi w ZSRR. Duży program badawczy nad DPF był prowadzony w ZSRR do późnych lat pięćdziesiątych i trwa do dziś. Inna wersja tej samej podstawowej koncepcji została niezależnie odkryta w USA przez JW Mathera na początku lat sześćdziesiątych. Ta wersja przeszła pewien rozwój w latach 70. i nadal rozwijane są odmiany.

Podstawowy projekt wywodzi się z koncepcji zacisku Z. Zarówno DPF, jak i pinch wykorzystują duże prądy elektryczne przepływające przez gaz, aby spowodować jego jonizację w plazmę, a następnie zaciskanie się w celu zwiększenia gęstości i temperatury plazmy. DPF różni się w dużej mierze formą; większość urządzeń wykorzystuje dwa koncentryczne cylindry i tworzą szczyptę na końcu centralnego cylindra. W przeciwieństwie do tego, systemy ze skurczem-z zazwyczaj wykorzystują pojedynczy cylinder, czasami torus i zaciskają plazmę do środka.

Skupienie plazmy jest podobne do urządzenia plazmowego o wysokiej intensywności (HIPGD) (lub po prostu pistoletu plazmowego ), które wyrzuca plazmę w postaci plazmoidu, bez jej ściskania. Kompleksowy przegląd skupienia gęstej plazmy i jego różnorodnych zastosowań został dokonany przez Krishnana w 2012 roku.

Koncepcja szczypta

Urządzenia oparte na zaciskach są najwcześniejszymi systemami, które zostały poważnie opracowane do badań nad syntezą jądrową, poczynając od bardzo małych maszyn zbudowanych w Londynie w 1948 r. Zwykle przybierały one jedną z dwóch form; liniowe maszyny zaciskowe to proste rurki z elektrodami na obu końcach, które doprowadzają prąd do plazmy, podczas gdy zaciskarki toroidalne to maszyny w kształcie pierścienia z owiniętymi wokół nich dużymi magnesami, które dostarczają prąd za pomocą indukcji magnetycznej .

W obu typach maszyn duży impuls prądu jest przykładany do rozcieńczonego gazu wewnątrz rury. Ten prąd początkowo jonizuje gaz w plazmę. Po zakończeniu jonizacji, co następuje w ciągu mikrosekund, plazma zaczyna przewodzić prąd. Ze względu na siłę Lorentza prąd ten wytwarza pole magnetyczne, które powoduje, że plazma „zaciska się” w włókno, podobnie jak błyskawica. Proces ten bardzo szybko zwiększa gęstość plazmy, powodując wzrost jej temperatury.

Wczesne urządzenia szybko wykazały problem ze stabilnością tego procesu. Gdy prąd zaczął płynąć w plazmie, pojawiły się efekty magnetyczne znane jako „kiełbasa” i „załamanie”, które spowodowały, że plazma stała się niestabilna i ostatecznie uderzyła w boki pojemnika. Gdy to nastąpi, gorąca plazma spowoduje odpryskiwanie atomów metalu lub szkła i wejście do paliwa, gwałtownie schładzając plazmę. Jeśli plazma nie mogłaby być stabilna, ten proces utraty uniemożliwiłby fuzję.

W połowie lat pięćdziesiątych pojawiły się dwa możliwe rozwiązania. W koncepcji szybkiego zaciskania urządzenie liniowe poddałoby się zaciskaniu tak szybko, że plazma jako całość nie poruszałaby się, zamiast tego tylko najbardziej zewnętrzna warstwa zaczęłaby zaciskać, tworząc falę uderzeniową , która kontynuowałaby proces po usunięciu prądu . W ustabilizowanym zacisku dodane zostałyby nowe pola magnetyczne, które mieszałyby się z polem prądu i tworzyły bardziej stabilną konfigurację. Podczas testów żaden z tych systemów nie działał, a droga do fuzji została w dużej mierze porzucona na początku lat sześćdziesiątych.

Koncepcja DPF

Podczas eksperymentów na liniowej maszynie zaciskowej Filippov zauważył, że pewne układy elektrod i rurki powodują, że plazma formuje się w nowe kształty. Doprowadziło to do koncepcji DPF.

W typowej maszynie DPF znajdują się dwie cylindryczne elektrody. Wewnętrzna, często pełna, jest fizycznie oddzielona od zewnętrznej dyskiem izolacyjnym na jednym końcu urządzenia. Pozostaje otwarte na drugim końcu. Efektem końcowym jest coś w rodzaju kubka do kawy z połową hot doga stojącą na jego końcu pośrodku kubka.

Po przyłożeniu prądu zaczyna łukiem na ścieżce najmniejszego oporu, na końcu w pobliżu dysku izolacyjnego. Powoduje to gwałtowną jonizację gazu w okolicy, a prąd zaczyna płynąć przez niego do zewnętrznej elektrody. Prąd wytwarza pole magnetyczne, które zaczyna popychać plazmę w dół rury w kierunku otwartego końca. Kończy się w mikrosekundach.

Kiedy osiągnie koniec, porusza się jeszcze przez krótki czas, ale punkty końcowe bieżącego arkusza pozostają przymocowane do końca cylindrów. Powoduje to, że arkusz plazmy wygina się w kształt podobny do parasola czy kapelusza grzyba.

W tym momencie dalszy ruch ustaje, a ciągły prąd zamiast tego zaczyna ściskać sekcję w pobliżu elektrody środkowej. W końcu powoduje to, że poprzedni obszar w kształcie pierścienia ściska się do pionowego słupka wystającego poza koniec elektrody wewnętrznej. W tym obszarze gęstość znacznie się zwiększa.

Cały proces przebiega z wielokrotną prędkością dźwięku w otaczającym gazie. Gdy osłona prądowa kontynuuje ruch osiowy, część stykająca się z anodą ślizga się po powierzchni anody, osiowo symetrycznie. Kiedy implodujące czoło fali uderzeniowej łączy się z osią, odbity front uderzeniowy emanuje z osi, aż napotka napędzającą osłonę prądową, która następnie tworzy osiowo-symetryczną granicę ściśniętej lub skupionej kolumny gorącej plazmy.

Gęsta kolumna plazmy (podobna do skurczu-Z ) gwałtownie zaciska się, ulega niestabilności i rozpada. Intensywne promieniowanie elektromagnetyczne i rozbłyski cząstek, łącznie określane jako wielopromieniowanie, występują podczas fazy gęstej plazmy i rozpadu. Te krytyczne fazy trwają zwykle dziesiątki nanosekund dla małej (kJ, 100 kA) aparatu ogniskującego do około mikrosekundy w przypadku dużego aparatu ogniskującego (MJ, kilka MA).

Proces, w tym faza osiowa i promieniowa, może trwać, w przypadku maszyny Mather DPF, od kilku mikrosekund (dla małego ogniskowania) do 10 mikrosekund dla większej maszyny ogniskującej. Urządzenie do ogniskowania Filippov ma bardzo krótką fazę osiową w porównaniu z ogniskowaniem Mather.

Aplikacje

Podczas działania z użyciem deuteru emitowane są intensywne rozbłyski promieniowania rentgenowskiego i naładowane cząstki, podobnie jak produkty uboczne syntezy jądrowej, w tym neutrony . Trwają badania, które wykazują potencjalne zastosowania jako źródło miękkiego promieniowania rentgenowskiego do nowej generacji litografii mikroelektronicznej , mikroobróbki powierzchni , pulsacyjnego promieniowania rentgenowskiego i źródła neutronowego do zastosowań medycznych i kontroli bezpieczeństwa oraz modyfikacji materiałów.

W przypadku broni jądrowej urządzenia skupiające gęstą plazmę mogą być używane jako zewnętrzne źródło neutronów . Inne zastosowania obejmują symulację wybuchów jądrowych (do testowania sprzętu elektronicznego) oraz krótkie i intensywne źródło neutronów przydatne do bezkontaktowego wykrywania lub kontroli materiałów jądrowych (uran, pluton).

Charakterystyka

Ważną cechą skupienia gęstej plazmy jest to, że gęstość energii skupionej plazmy jest praktycznie stała w całym zakresie maszyn, od maszyn poniżej kilodżuli do maszyn megadżulowych, gdy maszyny te są dostrojone do optymalnego działania. Oznacza to, że mała, stołowa ogniskująca plazma wytwarza zasadniczo takie same właściwości plazmy (temperatura i gęstość), jak największe ogniskowanie plazmy. Oczywiście większa maszyna będzie wytwarzać większą objętość skupionej plazmy z odpowiednią dłuższą żywotnością i większą wydajnością promieniowania.

Nawet najmniejsze ognisko plazmy ma zasadniczo takie same właściwości dynamiczne jak większe maszyny, wytwarzając te same właściwości plazmy i te same produkty promieniowania. Wynika to ze skalowalności zjawisk plazmowych .

Zobacz także plazmoid , samodzielną kulę plazmy magnetycznej, która może być wytwarzana przez gęste ognisko plazmy.

Parametry projektowe

Fakt, że gęstość energii plazmy jest stała w całym zakresie urządzeń ogniskujących plazmę, od dużych do małych, jest związany z wartością parametru projektowego, który musi być utrzymywany na określonej wartości, jeśli ogniskowanie plazmy ma działać wydajnie.

Krytycznym parametrem projektowym „prędkości” dla urządzeń wytwarzających neutrony jest , gdzie jest prąd, jest promieniem anody i jest gęstością lub ciśnieniem gazu.

Na przykład, dla zoptymalizowanej neutronowo pracy w deuterze, wartość tego krytycznego parametru, obserwowana eksperymentalnie na różnych maszynach od kilodżuli do setek kilodżuli, wynosi: 9 kA/(mm·Torr 0,5 ) lub 780 kA/(m· Pa 0,5 ), z wyjątkowo małym odchyleniem 10% w tak dużym zakresie rozmiarów maszyn.

Tak więc, jeśli mamy prąd szczytowy 180 kA, potrzebujemy promienia anody 10 mm z ciśnieniem napełniania deuterem 4 Torr (530 Pa). Długość anody musi być wtedy dopasowana do czasu narastania prądu kondensatora, aby umożliwić średnią prędkość przejścia osiowego powłoki prądowej nieco ponad 50 mm/μs. Tak więc czas narastania kondensatora wynoszący 3 μs wymaga dopasowanej długości anody 160 mm.

Powyższy przykład prądu szczytowego 180 kA narastającego w 3 μs, promień anody i długość odpowiednio 10 i 160 mm są zbliżone do parametrów projektowych UNU/ICTP PFF (Uniwersytet Narodów Zjednoczonych/Międzynarodowe Centrum Fizyki Teoretycznej Plasma Fusion Facility) . To małe urządzenie stołowe zostało zaprojektowane jako tani, zintegrowany system doświadczalny do szkolenia i transferu w celu inicjowania/wzmacniania eksperymentalnych badań plazmowych w krajach rozwijających się.

Można zauważyć, że kwadrat parametru wysterowania jest miarą „gęstości energii plazmy”.

Z drugiej strony, inny zaproponował, tak zwany „parametr gęstości energii” , gdzie E to energia zgromadzona w baterii kondensatorów i jest promieniem anoda, do pracy neutronowej zoptymalizowane w deuter wartość tym krytycznym parametrem, eksperymentalnie obserwowane zakres maszyn od dziesiątek dżuli do setek kilodżuli jest rzędu J/m 3 . Na przykład dla baterii kondensatorów 3kJ promień anody jest rzędu 12mm. Ten parametr ma zakres od 3,6x10^9 do 7,6x10^11 dla maszyn badanych przez Soto. Szeroki zakres tego parametru wynika z tego, że jest to „gęstość energii magazynowania”, która przekłada się na gęstość energii plazmy z różną wydajnością w zależności od bardzo zróżnicowanej wydajności różnych maszyn. Tak więc, aby uzyskać niezbędną gęstość energii plazmy (która, jak się okazało, jest prawie stałą dla zoptymalizowanej produkcji neutronów) wymaga znacznie różnej początkowej gęstości przechowywania.

Obecne badania

Sieć dziesięciu identycznych maszyn DPF działa w ośmiu krajach na całym świecie. W ramach tej sieci powstają artykuły naukowe na tematy takie jak optymalizacja i diagnostyka maszyn (miękkie promienie rentgenowskie, neutrony, wiązki elektronów i jonów), zastosowania (mikrolitografia, mikroobróbka, modyfikacja i wytwarzanie materiałów, obrazowanie i medycyna, symulacje astrofizyczne), a także modelowanie i obliczenia . Sieć została zorganizowana przez Sing Lee w 1986 roku i jest koordynowana przez Azjatyckie Afrykańskie Stowarzyszenie Szkolenia Plazmowego, AAAPT . Pakiet symulacyjny, model Lee, został opracowany dla tej sieci, ale ma zastosowanie do wszystkich urządzeń z ogniskowaniem plazmowym. Kod zazwyczaj zapewnia doskonałą zgodność między wynikami obliczonymi a zmierzonymi i jest dostępny do pobrania jako Universal Plasma Focus Laboratory Facility. Instytut Badań Ogniskowych Plazmy IPFS został założony 25 lutego 2008 r. w celu promowania prawidłowego i innowacyjnego wykorzystania kodu Modelu Lee oraz zachęcania do stosowania eksperymentów numerycznych zogniskowanych plazmowo. Badania IPFS już rozszerzyły wyprowadzone numerycznie prawa skalowania neutronów na eksperymenty wielomegadżulowe. Te czekają na weryfikację. Eksperymenty numeryczne z kodem zaowocowały również kompilacją globalnego prawa skalowania wskazującego, że dobrze znany efekt nasycenia neutronami jest lepiej skorelowany z mechanizmem pogorszenia skalowania. Wynika to z rosnącej dominacji rezystancji dynamicznej fazy osiowej, ponieważ impedancja baterii kondensatorów maleje wraz ze wzrostem energii baterii (pojemności). W zasadzie nasycenie rezystancyjne można przezwyciężyć, pracując impulsowym układem zasilającym przy wyższym napięciu.

Międzynarodowe Centrum Gęstej Plazmy Magnetycznej (ICDMP) w Warszawie, Polska, obsługuje kilka maszyn do ogniskowania plazmowego w ramach międzynarodowego programu badawczego i szkoleniowego. Wśród tych maszyn jest jedna o pojemności energetycznej 1 MJ, co czyni ją jednym z największych urządzeń do ogniskowania plazmowego na świecie.

W Argentynie istnieje od 1996 r. międzyinstytucjonalny program badań nad plazmą, koordynowany przez Narodowe Laboratorium Gęstej Namagnetyzowanej Plazmy ( www.pladema.net ) w Tandil, Buenos Aires. Program współpracuje również z Chilijską Komisją Energii Jądrowej oraz tworzy sieć Argentine National Energy Commission, Rady Naukowej Buenos Aires, University of Center, University of Mar del Plata, The University of Rosario oraz Institute of Plasma Physics of Uniwersytet Buenos Aires. Program obsługuje sześć Plasma Focus Devices, opracowując aplikacje, w szczególności ultrakrótką tomografię i wykrywanie substancji za pomocą pulsacyjnego badania neutronowego. PLADEMA przyczyniła się również w ciągu ostatniej dekady do kilku modeli matematycznych Plasma Focus. Model termodynamiczny umożliwił po raz pierwszy opracowanie map projektowych łączących parametry geometryczne i operacyjne, pokazując, że zawsze istnieje optymalna długość działa i ciśnienie ładowania, które maksymalizują emisję neutronów. Obecnie istnieje kompletny kod elementów skończonych zweryfikowany w wielu eksperymentach, który można z pewnością wykorzystać jako narzędzie projektowe dla Plasma Focus.

W Chile, w Chilijskiej Komisji Energii Jądrowej, eksperymenty z ogniskowaniem plazmowym zostały rozszerzone na urządzenia poniżej kilodżuli, a zasady skalowania zostały rozciągnięte do regionu mniejszego niż jeden dżul. Ich badania przyczyniły się do ustalenia, że ​​możliwe jest skalowanie ogniska plazmy w szerokim zakresie energii i rozmiarów przy zachowaniu tej samej wartości gęstości jonów, pola magnetycznego, prędkości osłony plazmy, prędkości Alfvéna i ilości energii na cząstkę. Dlatego reakcje fuzji są nawet możliwe do uzyskania w urządzeniach ultraminiaturowych (napędzanych na przykład generatorami o wartości 0,1J), podobnie jak w większych urządzeniach (napędzanych generatorami o mocy 1MJ). Jednak stabilność skurczu plazmy w dużym stopniu zależy od wielkości i energii urządzenia. Bogata fenomenologia plazmy została zaobserwowana w stołowych urządzeniach do ogniskowania plazmy opracowanych w chilijskiej Komisji Energii Jądrowej: struktury włókniste, toroidalne osobliwości, rozbłyski plazmy i generacje strumieni plazmy. Ponadto badane są możliwe zastosowania tego rodzaju małych urządzeń plazmowych: rozwój przenośnych generatorów jako nieradioaktywnych źródeł neutronów i promieniowania rentgenowskiego do zastosowań polowych, promieniowanie pulsacyjne stosowane w badaniach biologicznych, ogniskowanie plazmy jako źródło neutronów do fuzji jądrowej- hybrydowe reaktory rozszczepienia oraz wykorzystanie urządzeń do ogniskowania plazmy jako akceleratorów plazmy do badań materiałów pod wpływem intensywnych impulsów związanych z fuzją. Ponadto chilijska Komisja Energii Jądrowej obsługuje obecnie obiekt SPEED-2, największy obiekt Plasma Focus na półkuli południowej.

Od początku 2009 r. oddano do eksploatacji kilka nowych maszyn plazmowych, w tym INTI Plasma Focus w Malezji, NX3 w Singapurze, pierwszy plazmowy focus, który został ostatnio uruchomiony na uniwersytecie w USA, KSU Plasma Fokus na Uniwersytecie Stanowym w Kansas, który zarejestrował swój pierwszy impuls emitujący neutrony termojądrowe w sylwestra 2009 roku oraz ognisko plazmowe IR-MPF-100 (115 kJ) w Iranie.

Moc syntezy

Kilka grup zaproponowało, że moc syntezy jądrowej oparta na DPF może być ekonomicznie opłacalna, być może nawet przy niskoneutronowych cyklach paliwowych, takich jak p-B11. Wykonalność mocy netto z p-B11 w DPF wymaga, aby straty bremsstrahlung zostały zmniejszone przez efekty mechaniki kwantowej indukowane przez niezwykle silne pole magnetyczne „ zamrożone w plazmie” . Silne pole magnetyczne powoduje również wysoki współczynnik emisji promieniowania cyklotronowego , ale przy przewidywanych gęstościach, gdzie częstotliwość plazmy jest większa niż częstotliwość cyklotronu , większość tej mocy zostanie ponownie pochłonięta, zanim zostanie utracona z plazmy. Inną deklarowaną zaletą jest możliwość bezpośredniego przekształcania energii produktów syntezy jądrowej w energię elektryczną, z wydajnością potencjalnie powyżej 70%.

Fizyka plazmowa Lawrenceville'a

Eksperymenty i symulacje komputerowe mające na celu zbadanie zdolności DPF do zasilania syntezy jądrowej trwają w Lawrenceville Plasma Physics (LPP) pod kierownictwem Erica Lernera , który wyjaśnił swoje podejście „Focus Fusion” podczas Google Tech Talk w 2007 roku. 14 listopada 2008 r. Lerner otrzymał fundusze na dalsze badania, aby przetestować naukową wykonalność Focus Fusion.

15 października 2009 r. urządzenie DPF „Focus Fusion-1” osiągnęło pierwszy szczyptę. 28 stycznia 2011 LPP opublikowało wstępne wyniki, w tym eksperymentalne ujęcia ze znacznie wyższą wydajnością fuzji niż historyczny trend DPF. W marcu 2012 r. firma ogłosiła, że ​​osiągnęła temperaturę 1,8 miliarda stopni, bijąc stary rekord 1,1 miliarda, który przetrwał od 1978 r. W 2016 r. firma ogłosiła, że ​​osiągnęła wydajność syntezy jądrowej na poziomie 0,25 dżuli. W 2017 roku firma zmniejszyła masowo zanieczyszczenia o 3x, a liczbę jonów o 10x. Wydajność fuzji zwiększona o 50%. Wydajność syntezy podwoiła się w porównaniu z innymi urządzeniami do ogniskowania plazmowego przy tym samym poborze energii 60 kJ. Ponadto średnia energia jonów wzrosła do rekordowego poziomu 240 ± 20 keV dla dowolnej zamkniętej plazmy fuzyjnej. Mieszanka deuterowo-azotowa i wstępna jonizacja wyładowania koronowego zmniejszyły odchylenie standardowe wydajności fuzji o 4x do około 15%.

W 2019 roku zespół przeprowadził serię eksperymentów zastępujących elektrody wolframowe elektrodami berylowymi (tzw. Focus Fusion 2B). Po 44 strzałach elektroda utworzyła znacznie cieńszą 10 nm warstwę tlenku z odpowiednio mniejszą ilością zanieczyszczeń i mniejszą erozją elektrody niż w przypadku elektrod wolframowych. Wydajność syntezy osiągnęła 0,1 dżuli. Wydajność generalnie wzrastała, a zanieczyszczenia spadały wraz ze wzrostem liczby strzałów.

Zobacz też

Historia

  • 1958: Петров Д.П., Филиппов Н.В., Филиппова Т.И., Храбров В.А. „Мощный импульсный газовый разряд в камерах с проводящими стенками”. сб. Физика плазмы i проблемы управляемых термоядерных реакций. зд. АН СССР, 1958, т. 4, с. 170–181.
  • 1958: Hannes Alfvén : Materiały z Drugiej Międzynarodowej Konferencji na temat Pokojowego Wykorzystania Energii Atomowej (ONZ), 31, 3
  • 1960: H Alfven, L Lindberg i P Mitlid, „ Eksperymenty z pierścieniami plazmowymi ” (1961) Journal of Nuclear Energy . Część C, Fizyka Plazmy, Akceleratory, Badania Termojądrowe, Tom 1, Wydanie 3, s. 116-120
  • 1960: Lindberg, L., E. Witalis i CT Jacobsen, „Eksperymenty z pierścieniami plazmowymi” (1960) Nature 185:452.
  • 1961: Hannes Alfvén: Eksperyment z pierścieniem plazmowym w „ O powstawaniu kosmicznych pól magnetycznych ” (1961) Astrophysical Journal , tom. 133, s. 1049
  • 1961: Lindberg, L. i Jacobsen, C., „ O wzmocnieniu poloidalnego strumienia magnetycznego w plazmie ” (1961) Astrophysical Journal , tom. 133, s. 1043
  • 1962: Filippow. NV i wsp., „Gęsta, wysokotemperaturowa osocze w niecylindrycznym ucisku 2-pinowym” (1962) „Suplement do syntezy jądrowej”. Pt. 2, 577
  • 1969: Buckwald, Robert Allen, "Tworzenie ogniska gęstej plazmy przez symetrię dysku" (1969) Praca dyplomowa , Ohio State University .

Uwagi

Zewnętrzne linki