소형 트로이덜 하이브리드

Compact Toroidal Hybrid
소형 트로이덜 하이브리드
Compact Toroidal Hybrid.jpg
디바이스 타입스텔라레이터
위치앨라배마, 미국
제휴오번 대학교
기술사양
장반경0.75 m (2 피트 6 인치)
마이너 반지름0.29 m (11 인치)
플라즈마 볼륨0.6 m3
자기장0.4~0.7 T(4,000~7,000 G)
난방 전력10 kW (ECH)
100kW(오믹)
역사
운용년도2005년 ~ 현재
선행콤팩트 오번 토사트론

소형 트로이덜 하이브리드(CTH)[1]는 자기장을 사용하여 고온 플라스마를 제한하는 [2][3]Auburn University의 실험 장치입니다.CTH는 플라즈마를 포함하는 자기장의 대부분을 생성하는 외부 연속 감긴 나선형 코일이 있는 비틀림형 스텔라레이터입니다.

배경

주요 기사:스텔라레이터

트로이덜 자기 제한 융합 장치는 토러스 안에 있는 자기장을 생성한다.이러한 자기장은 두 개의 구성 요소로 구성되어 있습니다. 한 구성 요소는 토러스(트로이드 방향)를 중심으로 긴 방향(트로이드 방향)을 가리키고 다른 구성 요소는 토러스(폴로이드 방향)을 기준으로 합니다.두 성분이 결합하면 나선형 필드가 만들어집니다(유연성 막대 사탕 지팡이를 들고 양끝을 연결하는 상상을 할 수 있습니다).스텔라레이터형 장치는 외부 자기 코일을 사용하여 필요한 모든 자기장을 생성합니다.이는 트로이덜 자기장이 외부 코일에 의해 생성되고 폴로이드 자기장이 플라즈마를 통해 흐르는 전류에 의해 생성되는 토카막 장치와는 다릅니다.

CTH 진공 용기(회색으로 표시)와 자기장 코일을 나타내는 도면.HF(빨간색) - 헬리컬 필드,TF - 트로이덜 필드,OH1,2,3 - 오믹 변압기 코일, MVF - 주 수직장, TVF - 트림 수직장, SVF - 쉐이핑 수직장, RF - 방사장, EF, 평형장, ECC - 오류 보정 코일

CTH 디바이스

CTH의 주 자기장은 연속적으로 감긴 나선형 코일에 의해 생성됩니다.10개의 코일로 구성된 보조 세트는 토카막과 유사한 트로이덜 필드를 생성합니다.이 트로이덜 장은 구속 자기장 구조의 회전 변환을 변화시키는 데 사용됩니다.CTH는 일반적으로 플라즈마 중앙의 0.5~0.6테슬라 자기장에서 작동합니다.CTH는 순수 스타레이터로 작동할 수 있지만 플라즈마 내 전류를 구동하는 오믹 가열 변압기 시스템도 갖추고 있습니다.이 전류는 플라즈마를 가열하는 것 외에 자기장의 회전 변환을 변화시키는 폴로이드 자기장을 생성합니다.CTH 연구원들은 외부 코일에서 플라즈마 전류로 회전 변환의 원천을 변화시키면서 플라즈마가 얼마나 잘 제한되는지 연구합니다.

CTH 진공 용기는 Inconel 625로 제작되어 스테인리스강보다 전기 저항이 높고 자기 투과성이 낮습니다.플라즈마 형성 및 가열은 14GHz, 10kW 전자 사이클로트론 공명 가열(ECRH)을 사용하여 이루어집니다.최근 CTH에 200kW 자이로트론이 설치되었습니다.CTH의 오믹 히팅은 입력 전력이 100kW입니다.

운용

  • 플라스마 전자 온도는 일반적으로 최대 200 전자볼트, 전자 밀도는 최대 5×10m입니다19−3.
  • 플라스마 지속시간은 60~100밀리초
  • 자석 코일에 전력을 공급하는 데 충분한 에너지를 저장하는 데 6분-7분이 소요됩니다.

서브시스템

다음으로 CTH 동작에 필요한 서브시스템 목록을 나타냅니다.

  • 에너지를 저장하고 자기장 발생을 위한 전류를 생성하기 위해 부착된 1톤 플라이휠이 있는 10개의 GE752 모터 세트
  • 전자 사이클로트론 공명 가열용 18GHz 카이스트론 2개
  • 제2 고조파 전자 사이클로트론 공명 가열용 자이로트론
  • 2kV, 50μF 캐패시터 뱅크 및 1kV, 3F 캐패시터 뱅크에서 오믹 시스템에 전력을 공급합니다.
  • 640 채널 데이터 수집 시스템

진단

CTH에는 플라즈마 및 자기장의 특성을 측정하기 위한 대규모 진단 세트가 있습니다.다음은 주요 진단 목록입니다.

  • 전자밀도 측정용 4채널 간섭계
  • 단층 촬영과 온도[4] 프로필용 2색 소프트 X선 카메라
  • 소프트 X선 분광계
  • 하드 X선 검출기
  • 플라즈마 내 Mirnov 진동 측정용 코일
  • 플라즈마 전류 측정용 로고스키 코일
  • 온도 및 밀도 측정 및 텅스텐 침식 진단 측정을 위한 수동 분광법
  • Langmuir 프로브(트리플)

V3핏

V3에 의해 재구성된 마지막 닫힌 자속 표면(왼쪽) 및 (오른쪽) 플라즈마 전류가 없는 FIT 코드.색칠은 자기장의 강도를 나타내며, 빨간색은 가장 강한 필드이고 파란색은 가장 약한 필드입니다.샘플 필드 라인은 흰색으로 표시됩니다.

V3FIT는[5] 자기장이 본질적으로 트로이덜이지만 토카막 평형처럼 축대칭이 아닌 경우 플라즈마와 구속 자기장 사이의 평형을 재구성하는 코드이다.항성기는 비대칭이기 때문에 CTH 그룹은 평형을 재구성하기 위해 V3FIT 및 VMEC 코드를[6] 사용합니다.V3FIT 코드는 자기 제한 코일의 전류, 플라즈마 전류 및 Rogowski 코일, SXR 카메라 및 간섭계 등의 다양한 진단 데이터를 입력으로 사용합니다.V3의 출력FIT 코드는 자기장의 구조와 플라즈마 전류, 밀도 및 SXR 방사율의 프로파일을 포함합니다.CTH 실험의 데이터는 과거에도 계속 V3의 테스트베드로 사용되고 있습니다.헬리컬 대칭 eXperiment(HSX), Large Helical Device(LHD) 및 Wendelstein 7-X(W7-X) 스타레이너 및 Reverse-Field eXperiment(RFX) 및 Madison Symmetric Torches(ST) 필드에서의 평형 재구성에 사용되는 FIT 코드

목표 및 주요 성과

CTH는 현재 항성계를 [7][8][9]운반하는 물리학에 근본적인 공헌을 해왔고 앞으로도 그럴 것입니다.CTH 연구진은 다음에 대해 (외부 자석 코일로 인해) 외부에서 적용되는 회전 변환의 함수로서 파괴 한계와 특성을 연구했습니다.

진행 중인 실험

CTH의 학생과 스탭은, 수많은 실험 및 계산 연구 프로젝트에 임하고 있습니다.이들 중 일부는 전적으로 사내에 있는 반면, 다른 일부는 미국 및 해외의 다른 대학 및 국립 연구소와 협력하고 있다.현재의 연구 프로젝트에는 다음이 포함됩니다.

  • 진공 회전 변환의 함수로서의 밀도 한계 연구
  • DII-D 그룹과 함께 스펙트럼 분석 기법을 사용하여 텅스텐 침식을 측정한다.
  • CTH 및 W-7X Stellarator의 Cohence Imaging 시스템을 사용한 플라즈마 흐름 측정
  • W-7X 스텔라레이터의 중이온 수송 연구
  • 완전 이온화 플라스마와 중성자 지배 플라스마 사이의 전이 영역 연구
  • 간섭계 시스템용 제4채널 구현
  • 자이로트론을 이용한 제2차 고조파 전자 사이클로트론 공명 가열

역사

오번 토르사트론
Auburn Torsatron.jpg
디바이스 타입스텔라레이터
위치앨라배마, 미국
제휴오번 대학교
기술사양
장반경0.58m(1피트 11인치)
마이너 반지름0.14m(5.5인치)
자기장0.2 T 미만(2,000 G)
역사
운용년도1983–1990
에 의해 성공자콤팩트 오번 토사트론
콤팩트 오번 토사트론
CATphoto2.jpg
디바이스 타입스텔라레이터
위치앨라배마, 미국
제휴오번 대학교
기술사양
장반경0.53m(1피트 9인치)
마이너 반지름0.11m(4.3인치)
플라즈마 볼륨0.12m3
자기장0.1 T(1,000 G)
역사
운용년도1990–2000
선행오번 토르사트론
에 의해 성공자소형 트로이덜 하이브리드

CTH는 Ouburn University에서 세 번째로 구축된 Torsatron 장치입니다.동대학에서 제조된 이전의 자기 구속 장치는 다음과 같습니다.

오번 토르사트론(1983~1990)

Auburn Torsatron은 l=2, m=10 헬리컬 코일을 가지고 있었습니다.진공 용기의 주반경은 Ro = 0.58m, 부반경은 a = 0.14m였다v.전자레인지에서 추출한 2.45GHz 마그네트론을 사용하여 자기장 강도가 B ≤ 0.2T이고 플라즈마를 ECRH로 형성하였다.Auburn Torsatron은 기본적인 플라즈마 물리학과 진단, 그리고 자기 표면 매핑 기술을[12][13] 연구하는데 사용되었습니다.

콤팩트 오번 토르사트론(1990~2000년)

Compact Auburn Torsatron(CAT)에는 전류를 [14]독립적으로 제어할 수 있는 l=1,m=5와 l=2,m=5라는 두 개의 헬리컬 코일이 있습니다.나선 코일 사이의 상대 전류를 변화시키면 회전 변환이 수정되었습니다.진공 용기 주반경은 Ro = 0.53m, 플라즈마 부반경은 av = 0.11m였다.정상 상태의 자기장 강도는 B 0.1T였습니다. CAT 플라스마는 낮은 리플, 6kW, 2.45GHz 마그네트론 소스를 사용하여 ECRH로 형성되었습니다.CAT는 자기섬,[15] 자기섬 최소화 [16]및 구동 플라즈마[17] 회전을 연구하는 데 사용되었습니다.

기타 스텔라레이터

다음은 미국과 전 세계의 다른 Stellarator 목록입니다.

레퍼런스

  1. ^ Hartwell, G. J.; Knowlton, S. F.; Hanson, J. D.; Ennis, D. A.; Maurer, D. A. (2017). "Design, Construction, and Operation of the Compact Toroidal Hybrid". Fusion Science and Technology. 72 (1): 76. doi:10.1080/15361055.2017.1291046. S2CID 125968882.
  2. ^ "Simulations of the Compact Toroidal Hybrid using NIMROD" (PDF). Princeton Plasma Physics Laboratory. United States: PPPL, United States Department of Energy. 13 November 2011. p. 18.
  3. ^ Bader, Aaron (ORCID:000000026003374X); Hegna, C. C.; Cianciosa, Mark R. (ORCID:0000000162115311); Hartwell, G. J. (2018-03-16). "Minimum magnetic curvature for resilient divertors using Compact Toroidal Hybrid geometry". Plasma Physics and Controlled Fusion. United States: Office of Scientific and Technical Information, United States Department of Energy. 60 (5): 054003. doi:10.1088/1361-6587/aab1ea. Retrieved 2019-09-27.
  4. ^ Herfindal, J.L.; Dawson, J.D.; Ennis, D.A.; Hartwell, G.J.; Loch, S.D.; Maurer, D.A. (2014). "Design and initial operation of a two-color soft x-ray camera system on the Compact Toroidal Hybrid experiment". Review of Scientific Instruments. 85 (11): 11D850. doi:10.1063/1.4892540. PMID 25430263.
  5. ^ Hanson, J.D.; Hirshman, S.P.; Knowlton, S.F.; Lao, L.L.; Lazarus, E.A.; Shields, J.M. (2009). "V3FIT: a code for three-dimensional equilibrium reconstruction". Nuclear Fusion. 49 (7): 075031. doi:10.1088/0029-5515/49/7/075031.
  6. ^ Hirshman, S.P.; Whitson, J.C. (1983). "Steepest‐descent moment method for three‐dimensional magnetohydrodynamic equilibria". Physics of Fluids. 26 (12): 3553. doi:10.1063/1.864116. OSTI 5537804.
  7. ^ Ma, X.; Cianciosa, M.R.; Ennis, D.A.; Hanson, J.D.; Hartwell, G.J.; Herfindal, J.L.; Howell, E.C.; Knowlton, S.F.; Maurer, D.A.; Tranverso, P.J. (2018). "Determination of current and rotational transform profiles in a current-carrying stellarator using soft x-ray emissivity measurements". Physics of Plasmas. 25: 012516. doi:10.1063/1.5013347. OSTI 1418890.
  8. ^ Roberds, N.A.; Guazzotto, L.; Hanson, J.D.; Herfindal, J.L.; Howell, E.C.; Maurer, D.A.; Sovinec, C.R. (2016). "Simulations of sawtoothing in a current carrying stellarator". Physics of Plasmas. 23 (9): 092513. doi:10.1063/1.4962990.
  9. ^ Ma, X.; Maurer, D.A.; Knowlton, S.F.; ArchMiller, M.C.; Cianciosa, M.R.; Ennis, D.A.; Hanson, J.D.; Hartwell, G.J.; Hebert, J.D.; Herfindal, J.L.; Pandya, M.D.; Roberds, N.A.; Traverso, P.J. (2015). "Non-axisymmetric equilibrium reconstruction of a current-carrying stellarator using external magnetic and soft x-ray inversion radius measurements". Physics of Plasmas. 22 (12): 122509. doi:10.1063/1.4938031. OSTI 1263869.
  10. ^ Pandya, M.D.; ArchMiller, M.C.; Cianciosa, M.R.; Ennis, D.A.; Hanson, J.D.; Hartwell, G.J.; Hebert, J.D.; Herfinday, J.L.; Knowlton, S.F.; Ma, X.; Massida, S.; Maurer, D.A.; Roberds, N.A.; Traverso, P.J. (2015). "Low edge safety factor operation and passive disruption avoidance in current carrying plasmas by the addition of stellarator rotational transform". Physics of Plasmas. 22 (11): 110702. doi:10.1063/1.4935396.
  11. ^ ArchMiller, M.C.; Cianciosa, M.R.; Ennis, D.A.; Hanson, J.D.; Hartwell, G.J.; Hebert, J.D; Herfindal, J.L.; Knowlton, S.F.; Ma, X.; Maurer, D.A.; Pandya, M.D.; Tranverso, P.J. (2014). "Suppression of vertical instability in elongated current-carrying plasmas by applying stellarator rotational transform". Physics of Plasmas. 21 (5): 056113. doi:10.1063/1.4878615.
  12. ^ Gandy, R. F.; Henderson, M. A.; Hanson, J. D.; Hartwell, G. J.; Swanson, D. G. (1987). "Magnetic Surface Mapping with an Emissive Filament Technique on the Auburn Torsatron". Review of Scientific Instruments. 58 (4): 509–515. doi:10.1063/1.1139261.
  13. ^ Hartwell, G. J.; Gandy, R. F.; Henderson, M. A.; Hanson, J. D.; Swanson, D. G.; Bush, C.J.; Colchin, R. J.; England, A. C.; Lee, D.K. (1988). "Magnetic Surface Mapping with Highly Transparent Screens on the Auburn Torsatron". Review of Scientific Instruments. 59 (3): 460–466. doi:10.1063/1.1139861.
  14. ^ Gandy, R.F.; Henderson, M.A.; Hanson, J.D.; Knowlton, S.F.; Schneider, T.A.; Swanson, D.G.; Cary, J.R. (1990). "Design of the Compact Auburn Torsatron". Fusion Technology. 18 (2): 281. doi:10.13182/FST90-A29300.
  15. ^ Henderson, M. A.; Gandy, R. F.; Hanson, J. D.; Knowlton, S. F.; Swanson, D. G. (1992). "Measurement of magnetic surfaces on the Compact Auburn Torsatron". Review of Scientific Instruments. 63 (12): 5678–5684. doi:10.1063/1.1143349.
  16. ^ Gandy, R. F.; Hartwell, G. J.; Hanson, J. D.; Knowlton, S. F.; Lin, H. (1994). "Magnetic island control on the Compact Auburn Torsatron". Physics of Plasmas. 1 (5): 1576–1582. doi:10.1063/1.870709.
  17. ^ Thomas, Jr., .E; Knowlton, S. F.; Gandy, R. F.; Cooney, J.; Prichard, D.; Pruitt, T. (1998). "Driven plasma rotation in the Compact Auburn Torsatron". Physics of Plasmas. 5 (11): 3991–3998. doi:10.1063/1.873120.

외부 링크