Эксперимент с левитирующим диполем - Levitated Dipole Experiment

LDX
Эксперимент с левитирующим диполем
Вне камеры LDX.png
Фотография камеры LDX 25 января 2010 г.
Тип устройстваЛевитирующий диполь
Место расположенияКембридж, Массачусетс, Соединенные Штаты
ПринадлежностьЦентр плазменных исследований и термоядерного синтеза Массачусетского технологического института
Технические характеристики
Большой радиус0,34 м (1 фут 1 дюйм)
История
Год (ы) эксплуатации2004 – 2011
Связанные устройстваБесстолкновительный эксперимент Terrella (CTX)
Ссылки
Интернет сайтСайт эксперимента с левитирующим диполем

В Эксперимент с левитирующим диполем (LDX) был экспериментом по исследованию генерации термоядерная энергия используя концепцию левитирующий диполь. Это устройство было первым в своем роде, протестировавшим концепцию левитирующего диполя, и финансировалось Министерство энергетики США.[1] Машина также была частью сотрудничества между Центр плазменных исследований и термоядерного синтеза Массачусетского технологического института и Колумбийский университет, где находился еще один эксперимент с левитирующим диполем, Collisionless Terrella Experiment (CTX).[2]

LDX прекратила свою деятельность в ноябре 2011 года, когда прекратилось финансирование со стороны Министерства энергетики, поскольку ресурсы перенаправлялись на токамак исследование.[3]

Концепция и развитие

Смотрите также: Левитирующий диполь

Представление о левитирующем диполе как о термоядерный реактор был впервые теоретизирован Акира Хасегава в 1987 г.[4] Позже эта концепция была предложена в качестве эксперимента Джеем Кеснером из Массачусетский технологический институт и Майкл Мауэль из Колумбийский университет в 1997 г.[5] Пара собрала команду и собрала деньги на постройку машины. Они получили первую плазму в пятницу, 13 августа 2004 г., в 12:53. Первая плазма была создана путем (1) успешного левитирования дипольного магнита и (2) РФ нагрев плазмы.[6] С тех пор команда LDX успешно провела несколько тестов на левитацию, включая 40-минутную приостановку сверхпроводящий катушка 9 февраля 2007 г.[7] Вскоре после этого катушка была повреждена во время контрольного испытания в феврале 2007 года и заменена в мае 2007 года.[8] Заменяемая катушка была худшей, электромагнит с медной обмоткой, тоже с водяным охлаждением. Научные результаты, в том числе наблюдение турбулентного пинча внутрь, были представлены в Природа Физика.[9]

Машина

Диполь

Для этого эксперимента потребовался совершенно особый свободно плавающий электромагнит, который создавал уникальное магнитное поле «унитаз». Изначально магнитное поле создавалось двумя встречно намотанными кольцами токов. Каждое кольцо содержало 19 нитей. ниобий-олово Резерфордский кабель (часто встречается в сверхпроводящих магнитах). Они зацикливались внутри Инконель магнит; магнит, похожий на негабаритный пончик. Пончик был заряжен с использованием индукция. После зарядки он генерировал магнитное поле примерно на 8 часов. В целом кольцо весило 450 килограммов и парило на 1,6 метра над сверхпроводящим кольцом.[10] Кольцо давало поле примерно в 5 тесла.[11] Этот сверхпроводник был заключен в жидкий гелий, который удерживал электромагнит ниже 10 кельвины.[11] Этот дизайн похож на Диполь D20 эксперимент в Беркли и эксперимент RT-1 в Токийском университете.[12]

Камера

Диполь был подвешен внутри вакуумной камеры грибовидной формы диаметром около 5 метров и высотой около 3 метров.[13] В основании камеры находилась зарядная катушка. Эта катушка используется для зарядки диполя, используя индукция. Катушка, подвергающая диполь воздействию переменного магнитного поля. Затем диполь поднимается в центр камеры. Это можно сделать с помощью опор или с помощью самого поля. Вокруг этой камеры были Катушки Гельмгольца, которые использовались для создания однородного окружающего магнитного поля. Это внешнее поле будет взаимодействовать с полем диполя, подвешивая диполь. Именно в этом окружающем поле двигалась плазма. Плазма образуется вокруг диполя и внутри камеры. Плазма образуется при нагревании газа низкого давления. Газ нагревается с помощью радиочастота, по сути, разогревая плазму в поле мощностью 17 киловатт.[14]

Диагностика

Флюсовая петля - это петля из проволоки. Магнитное поле проходит через проволочную петлю. Поскольку поле внутри петли менялось, он генерировал ток. Это было измерено, и по сигналу был измерен магнитный поток.

За машиной следили с помощью довольно стандартной для всех fusion диагностики. К ним относятся:

  1. А Петля потока. Это петля из проволоки. Магнитное поле проходит через проволочную петлю. Поскольку поле внутри петли менялось, он генерировал ток. Это было измерено, и по сигналу был измерен магнитный поток.
  2. Детектор рентгеновского излучения.[15] Эта диагностика измеряла испускаемое рентгеновское излучение. На основании этого была определена температура плазмы. Их было четыре внутри машины, каждая измерялась вдоль шнура (или линии) внутри машины.[15] Этот детектор был хорош для измерения электронов, обычно около 100 электрон-вольт. Вся плазма теряет энергию из-за излучения света. Это охватывает весь спектр: видимый, ИК, УФ и рентгеновский лучи. Это происходит каждый раз, когда частица меняет скорость, по любой причине.[16] Если причина - отклонение магнитным полем, излучение Циклотронное излучение на малых скоростях и Синхротронное излучение на высоких скоростях. Если причиной является отклонение другой частицы, плазма излучает рентгеновские лучи, известные как Тормозное излучение радиация.
  3. Рентгеновская камера.[17] Он может считывать рентгеновские лучи более низкой энергии.
  4. Обычная видеокамера [17]
  5. Эмиссионный Зонд Ленгмюра. Зонд Ленгмюра представляет собой проволоку, вставленную в плазму, которая поглощает окружающие заряженные частицы. Вы можете изменять напряжение на этом проводе. При изменении напряжения поглощенные заряженные частицы изменяются, IV изгиб. Его можно прочитать и использовать для измерения плотности и температуры ближайшей плазмы.
  6. Тройной Зонд Ленгмюра[17]
  7. Дюжина Зонды Ленгмюра сгруппированы вместе[17]

Поведение

Одиночное движение ионов внутри LDX
Поведение объемной плазмы внутри LDX [18]

Одиночные частицы закручиваются вдоль силовых линий, обтекая дипольный электромагнит. Это приводит к гигантской герметизации электромагнита. Когда материал проходит через центр, плотность резко возрастает.[18] Это связано с тем, что большая часть плазмы пытается протиснуться через ограниченную область. Именно здесь происходит большинство реакций синтеза. Такое поведение получило название турбулентного пинча.

В больших количествах плазма образовывала две оболочки вокруг диполя: оболочку с низкой плотностью, занимающую большой объем, и оболочку с высокой плотностью, расположенную ближе к диполю.[18] Это показано здесь. Плазма улавливалась достаточно хорошо. Это дало максимум бета номер 0,26.[19] Значение 1 идеально.

Режимы работы

Наблюдались два режима работы:[20]

  1. Обмен горячими электронами: более низкая плотность, в основном электронная плазма.
  2. Более традиционный Магнитогидродинамический Режим

Они были предложены Николас Кролл в 1960-е гг.[21]

Подавление трития

В случае дейтерий термоядерный синтез (самое дешевое и простое в использовании термоядерное топливо) геометрия LDX имеет уникальное преимущество перед другими концепциями. При синтезе дейтерия образуются два продукта, которые возникают почти с равной вероятностью:

В этой машине вторичный тритий можно было частично удалить, что является уникальным свойством диполя.[22] Другой вариант топлива - тритий и дейтерий. Эта реакция может происходить при более низких температурах и давлении. Но у него есть несколько недостатков. Во-первых, тритий намного дороже дейтерия. Это потому, что тритий встречается редко. У него короткий период полураспада, что затрудняет его производство и хранение. Он также считается опасным материалом, поэтому его использование создает проблемы для здоровья, безопасности и окружающей среды. Наконец, тритий и дейтерий производят быстрые нейтроны Это означает, что любой реактор, сжигающий его, потребует сильной защиты.

Рекомендации

  1. ^ "Эксперимент с левитирующим диполем". www-internal.psfc.mit.edu. Получено 2020-06-22.
  2. ^ «CTX». sites.apam.columbia.edu. Получено 2020-06-22.
  3. ^ «Финансирование LDX отменено». Архивировано из оригинал на 2013-01-17. Получено 27 июня, 2012.
  4. ^ Хасегава, Акира (1987). "Дипольный термоядерный реактор". Комментарии о физике плазмы и управляемом синтезе. 11 (3): 147–151. ISSN  0374-2806.
  5. ^ Кеснер, Дж; Мауэль, М. (1997). "Удержание плазмы в левитирующем магнитном диполе" (PDF). Отчеты по физике плазмы. 23.
  6. ^ «LDX начинает первые плазменные эксперименты». Эксперимент с левитирующим диполем. 13 августа 2004 г.. Получено 7 августа 2016.
  7. ^ «Первый полет и поврежденная L-катушка». Эксперимент с левитирующим диполем. 9 марта 2009 г.
  8. ^ «Замена катушки левитации». Эксперимент с левитирующим диполем. 21 мая 2007 г.
  9. ^ Боксер, А. С; Bergmann, R; Ellsworth, J. L; Гарнье, Д. Т; Кеснер, Дж; Mauel, M.E; Восков, П (2010). «Турбулентный пинцет плазмы, удерживаемой левитирующим дипольным магнитом». Природа Физика. 6 (3): 207. Bibcode:2010НатФ ... 6..207Б. Дои:10.1038 / nphys1510.
  10. ^ "Эксперимент с левитирующим диполем". Массачусетский технологический институт. Получено 7 августа 2016.
  11. ^ а б «Дизайн и изготовление криостата для плавающей катушки эксперимента с левитирующим диполем (LDX)» А. Жуковский, М. Морган, Д. Гарнье, А. Радовинский, Б. Смит, Дж. Шульц, Л. Мятт, С. Пуррахими, Дж. Минервини.
  12. ^ «Турбулентный перенос в лабораторном магнитосферном диполе» 38-я конференция Европейского физического общества по физике плазмы, Страсбург, Франция, 28 июня 2011 г.
  13. ^ презентация "Проектирование и диагностика машин LDX" Встреча APS DPP 1998, Гарнье и Мауэль
  14. ^ "Оптимизация диагностики горячих электронов на LDX" Nogami, Woskov, Kesner, Garnier, Mauel, 2009
  15. ^ а б «Рентгеновская диагностика для эксперимента с левитирующим диполем» Дженнифер Л. Эллсуорт, магистерская диссертация, Массачусетский технологический институт, 2004 г.
  16. ^ Дж. Лармор, «К динамической теории электрической и светоносной среды», Philosophical Transactions of the Royal Society 190, (1897), стр. 205–300 (третья и последняя в серии статей с таким же названием).
  17. ^ а б c d «Диагностическая установка для пространственных и временных измерений флуктуаций плазмы с использованием электрических зондов в LDX» Э. Ортис, М. Мауэль, Д. Гарнье, 45-е совещание DPP, октябрь 2003 г.
  18. ^ а б c «Обзор результатов LDX» Джей Кеснер, А. Боксер, Дж. Эллсуорт, И. Карим, представлены на заседании APS, Филадельфия, 2 ноября 2006 г., документ VP1.00020
  19. ^ «Улучшенное удержание во время магнитной левитации в LDX», 50-е ежегодное собрание APS DDP, 18 ноября 2008 г. М. Мануэль
  20. ^ Презентация "Катализируемый гелием D-D синтез в левитирующем диполе" Кеснер, Катто, Крашенинникова APS 2005 Встреча DPP, Денвер
  21. ^ «Стабилизация горячей электронной плазмы холодным фоном» N Krall, Phys. Жидкости 9, 820 (1966)
  22. ^ Белая книга "Технологии синтеза для синтеза D-D с подавлением трития" подготовлена ​​для подкомитета FESAC по материаловедению, М. Э. Мауэль и Дж. Кеснер, 19 декабря 2011 г.

внешняя ссылка