고밀도 플라즈마 초점

Dense plasma focus

고밀도 플라즈마 포커스(DPF)는 1960년대 초부터 핵융합 전력 소자로 개발된 플라즈마 발생 시스템의 일종이다.이 시스템은 상용 전력 역할에서 유용하지 않을 것임을 시사하는 스케일링 법칙을 입증했으며, 1980년대부터 이 시스템은 주로 핵융합 교육 시스템 및 중성자와 X선의 선원으로 사용되어 왔다.

원래 개념은 1954년 N.V.에 의해 개발되었습니다.필리포프는 [1]소련에서 초기 핀치 기계 작업을 하던 중 그 효과를 알아차렸다.구소련에서는 1950년대 후반까지 DPF에 관한 주요 연구 프로그램이 실시되어 오늘날까지 계속되고 있다.동일한 기본 개념의 다른 버전은 1960년대 초에 J.W. Mather에 의해 미국에서 독립적으로 발견되었다.이 버전은 1970년대에 약간의 발전을 보였으며, 변형이 계속 개발되고 있다.

기본 디자인은 z-pinch 컨셉에서 파생되었습니다.DPF와 핀치는 모두 기체를 통해 흐르는 큰 전류를 사용하여 기체가 플라즈마로 이온화되도록 한 다음 플라즈마의 밀도와 온도를 높이기 위해 스스로 핀치합니다.DPF의 형태는 크게 다릅니다. 대부분의 장치는 두 개의 동심원 실린더를 사용하며 중앙 실린더의 끝단에서 핀치를 형성합니다.이와는 대조적으로, z-pinch 시스템은 일반적으로 단일 실린더(때로는 토러스)를 사용하며 플라즈마를 중앙에 끼웁니다.

플라즈마 포커스는 고강도 플라즈마 건 디바이스(HIPGD)(또는 단순히 플라즈마 건)와 유사하며, 플라즈마 포커스를 끼우지 않고 플라즈마 형태로 플라즈마를 방출합니다.고밀도 플라즈마 포커스와 그 다양한 응용 분야에 대한 포괄적인 검토는 2012년에 [2]Krishnan에 의해 이루어졌다.

핀치 컨셉

핀치 기반 장치는 1948년 런던에서 제작된 초소형 기계를 시작으로 핵융합 연구를 위해 진지하게 개발된 가장 초기의 시스템입니다.이들은 보통 두 가지 형태 중 하나를 취합니다. 선형 핀치 기계는 양 끝에 전류를 공급하기 위한 전극이 있는 직선 튜브인 반면, 트로이덜 핀치 기계는 자기 유도를 통해 전류를 공급하는 큰 자석이 감겨 있는 도넛 모양의 기계입니다.

두 종류의 기계 모두 튜브 내부의 희박한 가스에 대량의 전류가 인가된다.이 전류는 처음에 가스를 플라즈마로 이온화한다.이온화가 완료되면(마이크로초 단위), 플라즈마는 전류를 흐르기 시작합니다.로렌츠 힘 때문에, 이 전류는 플라즈마가 번개와 비슷한 필라멘트로 자신을 "고정"하게 만드는 자기장을 생성합니다.이 과정은 플라즈마의 밀도를 매우 빠르게 증가시켜 플라즈마의 온도를 증가시킨다.

초기 디바이스에서는 이 프로세스의 안정성에 관한 문제가 금방 판명되었습니다.전류가 플라즈마에 흐르기 시작하면서, 플라즈마를 불안정하게 만들고 결국 용기의 측면에 부딪히는 "소시지"와 "킹크"로 알려진 자기 효과가 나타났습니다.이런 일이 일어나면, 뜨거운 플라즈마는 금속이나 유리의 원자를 분출시키고 연료로 들어가 플라즈마를 빠르게 냉각시킵니다.혈장이 안정되지 않는 한 이 손실 과정은 핵융합을 불가능하게 만들 것이다.

1950년대 중반에는 두 가지 해결책이 등장했습니다.고속 핀치 개념에서 선형 디바이스는 플라즈마 전체가 움직이지 않을 정도로 빠르게 핀치를 통과하고 대신 가장 바깥쪽 층만 핀치를 시작하여 전류가 제거된 후에도 프로세스를 계속하는 충격파를 생성합니다.안정된 핀치에서는 새로운 자기장이 추가되어 전류의 자기장과 혼합되어 보다 안정된 구성이 됩니다.테스트에서는 이 두 시스템 모두 작동하지 않았으며, 1960년대 [citation needed]초에 핵융합으로 가는 핀치 루트는 대부분 포기되었다.

DPF 개념

선형 핀치 기계에 대한 실험을 하는 동안, Philippov는 전극과 튜브의 특정한 배열이 플라즈마를 새로운 모양으로 형성하도록 만든다는 것을 알아챘다.이것이 DPF 개념으로 이어졌습니다.

일반적인 DPF 기계에는 2개의 원통형 전극이 있습니다.종종 솔리드인 내부 디스크는 장치의 한쪽 끝에 있는 절연 디스크에 의해 외부와 물리적으로 분리되어 있습니다.그것은 반대쪽 끝에 열린 채로 있다.최종 결과는 커피 머그컵과 같은 것으로, 반쪽의 핫도그가 머그컵 가운데에 세워져 있습니다.

전류가 인가되면 절연체 디스크 근처의 끝에서 최소 저항 경로에서 호를 그리기 시작합니다.이로 인해 이 지역의 가스가 빠르게 이온화되고 전류가 외부 전극으로 흐르기 시작합니다.전류는 플라즈마를 튜브에서 열린 끝으로 밀어내기 시작하는 자기장을 생성합니다.마이크로초 단위로 종료됩니다.

끝에 도달하면 짧은 시간 동안 계속 이동하지만 현재 시트의 끝점은 실린더 끝에 부착된 상태로 유지됩니다.이로 인해 플라즈마 시트는 우산이나 버섯 뚜껑과 다르지 않은 형태로 튀어나오게 됩니다.

이 시점에서 추가 이동이 중지되고 대신 연속 전류가 중앙 전극 근처 부분을 끼우기 시작합니다.결국 이전의 링 모양 영역이 내부 전극의 끝에서 뻗어나가는 수직 기둥으로 압축됩니다.이 지역은 밀도가 크게 높아진다.

전체 과정은 주변 가스의 음속보다 몇 배 빠른 속도로 진행됩니다.전류 시스가 축방향으로 계속 이동함에 따라 양극과 접촉하는 부분은 축대칭으로 양극의 표면을 가로질러 미끄러진다.충격파의 붕괴 전선이 축으로 합쳐지면, 반사 충격 전선이 구동 전류 피복에 도달할 때까지 축에서 방출되며, 이 피복이 끼이거나 집중된 핫 플라즈마 기둥의 축대칭 경계를 형성합니다.

고밀도 플라즈마 컬럼(Z핀치에 대한 아크인)은 빠르게 고정되고 불안정해지며 분해됩니다.고밀도 플라즈마 및 분해 단계에서 총칭하여 멀티 방사라고 하는 강력한 전자파 방사선과 입자 폭발이 발생한다.이러한 중요한 단계는 보통 소형(kJ, 100kA) 포커스 머신에서는 수십 나노초, 대형(MJ, 여러 MA) 포커스 머신에서는 약 1 마이크로초 동안 지속됩니다.

Mather DPF 기계의 경우 축상 및 방사상 위상을 포함한 프로세스가 더 큰 포커스 기계의 경우 몇 마이크로초에서 10 마이크로초까지 지속될 수 있습니다.Filippov 포커스 머신은 Mather 포커스에 비해 축 위상이 매우 짧습니다.

적용들

중수소를 사용하여 작동하면 [3]중성자를 포함한 핵융합 부산물과 마찬가지로 X선과 하전 입자의 강력한 폭발이 방출된다.차세대 마이크로 전자 리소그래피, 표면 마이크로머신, 펄스 X선 및[4] 의료 및 보안 검사 애플리케이션 및 재료 [5]수정 등을 위한 중성자 선원으로서의 잠재적 응용을 입증하는 연구가 진행 중입니다.

핵무기 애플리케이션의 경우 고밀도 플라즈마 초점 장치를 외부 중성자 [6]선원으로 사용할 수 있다.다른 용도에는 핵폭발 시뮬레이션(전자기기 시험용)과 핵물질(우라늄, 플루토늄)의 비접촉 발견 또는 검사에 유용한 짧고 강력한 중성자 선원이 포함된다.

특성.

고밀도 플라즈마 포커스의 중요한 특징은 초점 플라즈마의 에너지 밀도가 서브킬로줄 기계에서 메가줄 기계까지 기계 [7]전체 범위에 걸쳐 실질적으로 일정하다는 것입니다.[8]즉, 작은 테이블 상판 크기의 플라즈마 포커스 머신은 기본적으로 가장 큰 플라즈마 포커스와 동일한 플라즈마 특성(온도 및 밀도)을 생성합니다.물론 더 큰 기계일수록 더 긴 수명과 더 많은 방사선 수율로 더 많은 양의 집속 플라즈마를 생성하게 됩니다.

가장 작은 플라즈마 초점이라도 본질적으로 더 큰 기계와 동일한 동적 특성을 가지며, 동일한 플라즈마 특성과 동일한 방사선 생성물을 생성한다.이는 플라즈마 현상의 확장성 때문입니다.

고밀도 플라즈마 포커스에 의해 생성될 수 있는 자성 플라즈마 볼인 플라스모이드도 참조하십시오.

설계 파라미터

플라즈마 에너지 밀도가 큰 것부터 작은 것까지 플라즈마 포커스 디바이스의 범위 전체에서 일정하다는 것은 플라즈마 포커스가 효율적으로 작동하려면 일정 값을 유지해야 하는 설계 파라미터의 값과 관련이 있다.

중성자 생성 장치의 중요한 '속도' 설계 매개변수는(\이다 서 I(\ I는 전류, a는 양극 반지름,(\ p는 가스 밀도 또는 [7]압력이다.

예를 들어 중수소에서 중성자 최적화 작동의 경우, 킬로줄에서 수백 킬로줄까지의 기계 범위에서 실험적으로 관찰된 이 중요 매개변수의 값은 9 kA/(mm0.5·Torr) 또는 780 kA/(m0.5·Pa)이며, 그러한 대규모 기계에 비해 10%의 현저한 편차가 있다.

따라서 피크 전류가 180kA일 경우 양극 반지름 10mm, 중수소 충전 압력 4Torr(530Pa)이 필요합니다.그런 다음 50mm/μs를 조금 넘는 전류 피복의 평균 축방향 통과 속도를 허용하기 위해 양극의 길이를 콘덴서 전류의 상승 시간과 일치시켜야 합니다.따라서 3μs의 캐패시터 라이즈 타임에는 160mm의 일치 양극 길이가 필요합니다.

3μs에서 상승하는 180kA의 피크 전류, 양극 반지름 및 길이 각각 10mm와 160mm의 예는 UNU/ICP PFF(유엔 대학/국제 이론 물리 플라즈마 융합 센터)[9]의 설계 매개변수에 가깝다.이 작은 탁상 장치는 개발도상국에서 [10]실험 플라즈마 연구를 시작/강화하기 위한 훈련 및 이전을 위한 저비용 통합 실험 시스템으로 설계되었다.

드라이브 파라미터의 제곱은 "플라스마 에너지 밀도"의 척도임을 알 수 있습니다.

한편, 소위 "에너지 밀도 " E {\ a로 불리는 또 다른 제안. 여기서 E는 캐패시터 뱅크에 저장된 에너지이고 a는 중수소에서의 중성자 최적화 작동을 위해 양극 반지름이며, 기계 범위 전체에 걸쳐 실험적으로 관측되었다.수십 줄에서 수백 킬로 줄의 m은 5 10 J/m의3 [8]순서로 됩니다.예를 들어 콘덴서 뱅크가 3kJ인 경우 양극 반경은 12mm입니다.이 파라미터의 범위는 Soto가 조사한 기계에 대해 3.6x10^9 ~ 7.6x10^11 입니다.이 파라미터의 범위가 넓은 것은 "스토리지 에너지 밀도"이기 때문입니다.이것은 플라즈마 에너지 밀도로 변환되며, 효율은 머신마다 크게 다르기 때문입니다.따라서 필요한 플라즈마 에너지 밀도(최적화된 중성자 생산에 거의 일정한 것으로 확인됨)를 얻으려면 매우 다른 초기 저장 밀도가 필요하다.

현재의 연구

10대의 동일한 DPF 머신의 네트워크는 전 세계 8개국에서 운용되고 있습니다.이 네트워크는 기계 최적화 및 진단(소프트 X선, 중성자, 전자 및 이온 빔), 응용 프로그램(마이크로 리소그래피, 마이크로머신, 재료 수정 및 제작, 이미징 및 의료, 천체물리 시뮬레이션) 및 모델링 및 계산 등의 주제에 대한 연구 논문을 작성합니다.이 네트워크는 1986년에 Sing Lee에 의해 조직되었으며 Asia African Association for Plasma Training, AAAPT에 의해 조정되었습니다.시뮬레이션 패키지인 Lee 모델은 [11]이 네트워크용으로 개발되었지만 모든 플라즈마 포커스 디바이스에 적용할 수 있습니다.이 코드는 일반적으로 계산 결과와 측정 [12]결과 간에 우수한 일치성을 제공하며 Universal Plasma Focus Laboratory Facility로 다운로드할 수 있습니다.Plasma Focus Studies[13] IPFS는 Lee 모델 코드의 정확하고 혁신적인 사용을 촉진하고 Plasma Focus 수치 실험의 적용을 장려하기 위해 2008년 2월 25일에 설립되었다.IPFS 연구는 이미 수치에서 파생된 중성자 스케일링 법칙을 다중 메가줄 [14]실험으로 확장했다.이것들은 검증을 기다리고 있다.코드에 대한 수치 실험도 잘 알려진 중성자 포화 효과가 스케일링 열화 메커니즘과 더 잘 연관되어 있음을 나타내는 글로벌 스케일링 법칙을 편집하는 결과를 낳았다.이는 캐패시터 뱅크 임피던스가 뱅크 에너지(캐패시턴스)의 증가에 따라 감소함에 따라 축상 동적 저항의 우위가 증가하기 때문입니다.원칙적으로 펄스 전력 시스템을 더 높은 전압으로 작동시킴으로써 저항 포화 상태를 극복할 수 있습니다.

바르샤바 폴란드에 있는 국제 고밀도 자화 플라즈마 센터(ICDMP)는 국제 연구 및 훈련 프로그램을 위해 여러 플라즈마 초점 기계를 운영하고 있다.이러한 기계 중에는 에너지 용량이 1 MJ인 것이 있어 세계에서 가장 큰 플라즈마 초점 장치 중 하나입니다.

아르헨티나에서는 1996년부터 부에노스아이레스 탄딜에 있는 국립 고밀도 자화 플라즈마 연구소(www.pladema.net)가 조정한 플라즈마 초점 연구를 위한 기관 간 프로그램이 있다.이 프로그램은 칠레 원자력위원회와 협력하고 아르헨티나 국가 에너지 위원회, 부에노스 아이레스 과학 위원회, 센터 대학, 마르델플라타 대학, 로사리오 대학, 부에노스 아이레스 대학의 플라즈마 물리학 연구소와도 연계하고 있습니다.이 프로그램은 6개의 플라즈마 포커스 장치를 작동시켜 응용 프로그램을 개발하며, 특히 중성자 펄스 탐사에 의한 초단층 촬영과 물질 검출을 개발합니다.PLADEMA는 또한 지난 10년 동안 Plasma Focus의 여러 수학적 모델에 기여했다.열역학 모델은 기하학적 파라미터와 작동 파라미터를 결합한 설계맵을 최초로 개발할 수 있었으며, 중성자 방출을 최대화하는 최적의 총 길이와 충전 압력이 항상 존재한다는 것을 보여주었다.현재 수많은 실험에 대해 검증된 완전한 유한 요소 코드가 있으며, Plasma Focus의 설계 도구로 자신 있게 사용할 수 있습니다.

칠레 원자력 위원회에서 플라즈마 초점 실험은 아킬로줄 장치로 확대되었고 체중계 규칙은 1줄 미만의 [16][17][18]지역까지 확대되었다.그들의 연구는 이온 밀도, 자기장, 플라즈마 피복 속도, Alfvén 속도 및 입자당 에너지량의 동일한 값을 유지하면서 광범위한 에너지와 크기로 플라즈마 초점을 조정할 수 있다는 것을 알아내는 데 기여했습니다.따라서 초소형 장치(예를 들어 0.1J 발전기 구동)에서도 대형 장치(1MJ 발전기 구동)에서 핵융합 반응을 얻을 수 있다.그러나 플라즈마 핀치의 안정성은 [8]장치의 크기와 에너지에 크게 좌우됩니다.칠레 원자력 위원회가 개발한 테이블 탑 플라즈마 초점 장치(필라멘트 구조,[19] 트로이덜 특이점,[20] 플라즈마 버스트 및 플라즈마 제트 [22]생성)에서 풍부한 플라즈마 현상학이 관찰되었다.게다가, 가능한 적용 작은 플라즈마 장치의 이러한 종류를 사용하는 휴대용 발전기의 중성자, x-ray의 분야 applications,[16][17] 넘쳤다 복사를non-radioactive원 생물학적 연구, 핵 fusion-fission 하이브리드 reactors,[23]에 중성자원으로 플라즈마 초점과 복수의 사용으로 개발한다.asma 초점강력한 핵융합 [24]펄스 하에서 물질 연구를 위한 플라즈마 가속기로서의 장치.또 칠레 원자력위원회는 현재 남반구에서 가장 큰 플라즈마 포커스 시설인 SPEED-2 시설을 운영하고 있다.

2009년 초부터 말레이시아의 INTI Plasma Focus, 싱가포르의 NX3, 최근 미국 대학 최초의 플라즈마 포커스, 캔자스 주립 대학의 KSU Plasma Focus 등 다수의 새로운 플라즈마 포커스 머신이 시운전되고 있습니다.2009년 12월 12일 및 이란에서 IR-MPF-100 플라즈마 초점(115kJ).

퓨전 파워

몇몇 그룹은 DPF에 기초한 핵융합 동력이 경제적으로 실현가능할 수 있으며, p-B11과 같은 저중성자 연료 주기에서도 가능할 수 있다고 제안했다.DPF에서 p-B11로부터의 순출력의 실현가능성은 매우 강한 자기장에 의해 유도되는 양자역학적 효과에 의해 제동 손실의 감소가 요구된다.높은 자기장은 또한 사이클로트론 방사선의 방출 속도를 높이지만, 플라즈마 주파수가 사이클로트론 주파수보다 큰 경우, 이 전력의 대부분은 플라즈마에서 손실되기 전에 재흡수됩니다.또 다른 장점은 핵융합 제품의 에너지를 전기로 직접 변환할 수 있다는 것입니다. 효율은 잠재적으로 70%가 넘습니다.

로렌스빌 플라즈마 물리학

2007년 구글 테크 [25]토크에서 포커스 퓨전(Focus Fusion) 접근방식을 설명한 에릭 러너의 지시로 로렌스빌 플라즈마 물리(LPP)에서 DPF의 핵융합 능력을 조사하기 위한 실험과 컴퓨터 시뮬레이션이 진행 중이다.2008년 11월 14일, Lerner는 Focus [26]Fusion의 과학적 타당성을 테스트하기 위한 연구를 계속하기 위한 자금을 받았습니다.

2009년 10월 15일, DPF 디바이스 「Focus Fusion-1」이 첫 [27]핀치를 달성했습니다.2011년 1월 28일, LPP는 과거 DPF [28]추세보다 상당히 높은 핵융합 수율을 가진 실험 샷을 포함한 초기 결과를 발표했다.2012년 3월, 그 회사는 1978년 [29][30]이후 남아있던 11억도의 오래된 기록을 깨고 18억도의 온도를 달성했다고 발표했다.2016년에는 0.25줄의 퓨전 [31]수율을 달성했다고 발표했습니다.2017년에는 질량 기준 불순물을 3배, 이온 수를 10배 줄였습니다.핵융합 수율이 50% 증가했습니다.동일한 60kJ 에너지 입력의 다른 플라즈마 초점 장치보다 융접 수율이 두 배 증가했습니다.또한, 평균 이온 에너지는 모든 제한 핵융합 플라즈마에서 240 ± 20 keV의 기록으로 증가했습니다.중수소-질소 혼합 및 코로나-방전 사전 이온화는 융합 수율 표준 편차를 약 15%[32]로 4배 감소시켰다.

2019년에는 텅스텐 전극을 베릴륨 전극(termed Focus Fusion 2B)으로 대체하는 일련의 실험을 실시했다.44회의 샷 후 전극은 텅스텐 전극보다 훨씬 얇은 10nm 산화층을 형성했고 그에 상응하는 불순물 및 전극 침식이 적었습니다.퓨전 수율은 0.1줄에 달했다.샷 [33]횟수가 증가함에 따라 일반적으로 수율이 증가하고 불순물이 감소하였다.

「 」를 참조해 주세요.

역사

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메모들

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