필드 반전 설정

Field-reversed configuration
전계역형상: 원통형 플라즈마 내부에 트로이덜 전류를 유도하여 외부적으로 인가되는 자기장의 방향에 대해 폴로이드 자기장을 반전시킨다.결과적으로 생성된 고베타 축대칭 콤팩트 트로이드는 자기 구속됩니다.

FRC(field-reverseed configuration)는 핵융합 생성 수단으로 연구되는 플라즈마 디바이스의 일종이다.중앙 [1]용입 없이 폐쇄된 자기장 라인에 혈장을 가둬둡니다.FRC에서 플라즈마는 스모크 링과 유사한 자기 안정형 토러스 형태를 가집니다.

FRC는 또 다른 안정된 자기 구속 융합 장치인 스피로막과 밀접하게 관련되어 있습니다.둘 다 소형 트로이드 핵융합 장치의 일부로 간주됩니다.FRC는 보통 스피로맥보다 더 긴 플라즈마를 가지고 있으며 대략 구형 스피로맥보다는 전체적으로 움푹 패인 소시지 모양을 가지고 있습니다.

FRC는 1960년대와 1970년대에 주요 연구 분야였지만 실용적인 핵융합 트리플 제품으로 확장하는데 어려움을 겪었다.1990년대에 다시 관심을 가져 2019년 현재 FRC는 활발한 연구 분야이다.

역사

FRC는 1950년대 후반 [2]역배경 자기장을 사용한 세타 핀치 실험 중 실험실에서 처음 관찰되었다.

첫 번째 연구는 1960년대에 미국 해군 연구소에서 이루어졌다.600편 이상의 [3]논문이 발행되어 상당한 데이터가 수집되었다.거의 모든 [4]연구는 1975년부터 1990년까지 Los Alamos National Laboratory(LANL)의 Project Sherwood(프로젝트 셔우드)와 [5]Washington 대학의 Redmond Plasma Physical Laboratory(LSX)[6]에서 18년 동안 대규모 s 실험(LSX)을 통해 수행되었습니다.

그 후, 공군 연구실([7]AFRL), 위스콘신 대학 [8]매디슨, 프린스턴 플라즈마 물리학 [9]연구소, 어바인 캘리포니아 대학(University of California, Irvine)[10]의 퓨전 기술 연구소(FTI)에서 연구했습니다.

General Fusion, TAE Technologies, Helion [11]Energy 등 민간 기업이 발전용 FRC를 연구하고 있습니다.

MSNW가 개발한 무전극 로렌츠 힘 추진기([12]ELF)는 우주 추진 장치를 설계하기 위한 시도였다.ELF는 MSNW가 해체되기 전에 X-3 Nested-Channel Hall Thruster 및[13] VASIMR과 함께 NASA의 NextSTEP 고급 전기 추진 프로그램에 참여했습니다.

적용들

주요 애플리케이션은 퓨전 발전용입니다.

FRC는 또한 가능한 [14][15][16][17][18]핵 에너지원으로서뿐만 아니라 NASA에 의해 표현된 관심을 가지고 전기 동력 우주선 및 핵융합 로켓의 높은 수준의 특정 임펄스(Isp)로 추진제를 가속하는 수단으로도 검토되고 있다.

비교

FRC와 Spheromak의 차이점
주요 기사: 자기 구속 융합

플라즈마를 자기장으로 제한하여 융접력을 생성하는 것은 필드 라인이 고체 표면을 통과하지 않고 원형 또는 트로이덜 표면으로 닫히는 경우 가장 효과적입니다.Tokamak과 Stellarator의 주요 구속 개념은 트로이덜 챔버에서 이를 수행하며, 이는 자기 구성을 상당히 제어할 수 있지만 매우 복잡한 구조를 필요로 합니다.필드 반전 구성은 필드 라인이 닫혀 있어 구속이 용이하지만 챔버는 원통형으로 되어 있어 시공과 [19]유지보수가 용이하다는 점에서 대안을 제시합니다.

필드 반전 구성과 구면체는 콤팩트 트로이드로 알려져 있습니다.스피로막과 FRC는 스피로막에는 여분의 트로이덜 필드가 있다는 점에서 다릅니다.이 트로이덜 장은 회전하는 [20]플라즈마와 같은 방향 또는 반대 방향으로 흐를 수 있습니다.구상막은 트로이덜 자계의 강도가 폴로이드 자계의 강도와 유사하다.반면 FRC는 트로이덜 필드 성분이 거의 없거나 전혀 없으며 폴로이드 필드만으로 구속됩니다.트로이덜 필드가 없다는 것은 FRC에 자기 헬리시티가 없고 베타값이 높다는 것을 의미합니다.높은 베타는 FRC를 핵융합 원자로로서 매력적으로 만들고 필요한 자기장이 낮기 때문에 아뉴트로닉 연료에 적합합니다.스피로맥은 β 1 0.1인 반면, 일반적인 FRC는 β 1 [21][22]1이다.

형성

S 파라미터를 포함한 FRC의 치수.

현대의 FRC 실험에서는 자기장을 반전시키는 플라즈마 전류를 다양한 방법으로 유도할 수 있습니다.

세타핀치(또는 유도전계) 방법을 사용하여 전계 반전 구성을 형성하면 먼저 원통형 코일이 축방향 자기장을 생성합니다.그런 다음 가스는 자기유체역학적 관점에서 바이어스 필드를 "동결"시키고, 마지막으로 축장이 반전되어 "장 반전 구성"이 됩니다.마지막에 바이어스 필드와 메인필드의 재접속이 발생하여 닫힌 필드선이 생성됩니다.메인 필드는 더욱 상승하여 플라즈마를 압축 및 가열하고 플라즈마와 [23]벽 사이에 진공 필드를 제공합니다.

중성빔은 대전입자를 직접 주입해 토카막스에서[24] 전류를 구동하는 것으로 알려져 있다.또한 FRC는 중성 [22][25]빔을 적용하여 형성, 유지 및 가열할 수 있습니다.이러한 실험에서는 위와 같이 원통형 코일이 균일한 축방향 자기장을 생성하고 가스가 도입되어 이온화되어 백그라운드 플라즈마를 생성한다.그런 다음 중성 입자를 플라즈마 안으로 주입합니다.그들은 이온화되고 무겁고 양전하를 띤 입자는 자기장을 반전시키는 전류 고리를 형성합니다.

스피로맥은 트로이덜 자기장이 유한한 FRC와 같은 구성입니다.FRC는 반대편과 취소 트로이덜 [26]필드의 구면체 병합을 통해 형성되었습니다.

회전 자기장도 전류를 [27]구동하는 데 사용되었습니다.이러한 실험에서는 위와 같이 가스가 이온화되어 축방향 자기장이 발생한다.기계의 축에 수직인 외부 자기 코일에 의해 회전 자기장이 생성되며, 이 자기장의 방향이 축을 중심으로 회전한다.회전 주파수가 이온과 전자 자이로 주파수 사이에 있을 경우 플라즈마 내의 전자는 자기장과 공회전하여('끌림') 전류를 생성하고 자기장을 반전시킵니다.최근에는 FRC의 닫힌 토폴로지를[28] 유지하기 위해 홀수 패리티 회전 자기장이 사용되고 있습니다.

단일 입자 궤도

FRC 입자 궤적은 입자가 늘 안에서 사이클로트론 운동으로 시작하여 베타트론 운동으로 전환되고 늘 밖에서 사이클로트론 운동으로 끝나는 것입니다.이 모션은 기계의 미드플레인에 있습니다.코일은 그림 위와 아래에 있습니다.

FRC에는 중요하고 흔치 않은 기능이 포함되어 있습니다.즉, 자기장이 0인 원형의 선입니다.Null 내부에서는 자기장이 한 방향을 가리키고 Null 외부에서는 자기장이 반대 방향을 가리키기 때문에 이는 반드시 해당됩니다.Null 트레이스에서 멀리 떨어진 입자는 다른 자기융접 기하학처럼 닫힌 사이클로트론 궤도를 돈다.그러나 공(Null)을 가로지르는 입자는 자기 공(Magnetic Null)을 통과할 때 궤도의 곡률이 변하기 때문에 사이클로트론이나 원형 궤도가 아니라 베타트론 또는 그림 8과 같은 [29]궤도를 추적합니다.

입자의 궤도는 사이클로트론이 아니기 때문에 자기유체역학(MHD)과 같은 사이클로트론 운동에 기초한 플라즈마 거동의 모델은 Null 주변 영역에서는 적용할 수 없습니다.이 영역의 크기는 s-파라미터 또는 [30]null과 분리기 사이의 거리 비율과 열 이온 자이로라디우스와 관련이 있다.하이즈에서는 대부분의 입자가 늘을 통과하지 않기 때문에 이 효과는 무시할 수 있습니다.low-s, ~2에서는 이 효과가 지배적이며 FRC는 "MHD"가 아니라 "운동성"이라고 한다.

플라즈마 안정성

낮은 s-파라미터에서 FRC 내부의 대부분의 이온은 플라즈마 물리학이 아닌 가속기 물리학에서 전형적으로 나타나는 큰 베타트론 궤도(평균 자이로라디우스는 플라즈마 크기의 약 절반)를 따릅니다.이러한 FRC는 플라즈마가 다른 열역학 평형이나 비열 플라스마처럼 일반적인 작은 자이로라디우스 입자에 의해 지배되지 않기 때문에 매우 안정적입니다.그 동작은 고전적인 자기유체역학으로 설명되지 않기 때문에 이론적인 [citation needed]예측에도 불구하고 알펜파도 없고 MHD 불안정성도 거의 없으며 입자 또는 에너지의 과잉 손실이 [31][32][33]발생하는 전형적인 "불규칙적인 운송"을 회피한다.

2000년 현재, 몇 가지 남은 불안정성이 검토되고 있습니다.

  • 틸트 및 시프트 모드.이러한 불안정성은 수동 안정화 도체를 포함하거나 매우 긴 플라즈마(즉, 매우 긴 플라즈마)[34]를 형성하거나 자체 생성 트로이덜 장을 생성하여 [35]완화시킬 수 있습니다.틸트 모드는 또한 이온 자이로라디이를 [30]증가시킴으로써 FRC 실험에서 안정화되었습니다.
  • 자기 회전의 불안정성.이 모드는 플라즈마 경계의 회전 타원 변형을 유발하며, 변형된 플라즈마가 구속 [36]챔버와 접촉하면 FRC가 파괴될 수 있습니다.성공적인 안정화 방법에는 4극 안정화 [37][38]장과 회전 자기장(RMF)[39][40]의 효과가 포함됩니다.

실험

선택된 필드 역실험, 1988년 이전[3]
연도 장치 위치 디바이스 길이 디바이스 직경 B필드 충전 압력 감금 공부한
미터 미터 테슬라 파스칼 초
1959 - NRL 0.10 0.06 10.00 13.33 2.E-06 전멸
1961 실라 I LANL 0.11 0.05 5.50 11.33 3.E-06 전멸
1962 실라 III LANL 0.19 0.08 12.50 11.33 4.E-06 회전
1962 테타트론 쿠람 0.21 0.05 8.60 13.33 3.E-06 수축
1962 율리히 0.10 0.04 6.00 30.66 1.E-06 편대, 찢기
1963 쿠람 0.30 0.10 5.00 6.67 6.E-06 수축
1964 0-PII 가르칭 0.30 0.05 5.30 13.33 1.E-06 찢김, 수축
1965 파로스 NRL 1.80 0.17 3.00 8.00 3.E-05 감금, 회전
1967 켄타우루스 쿠람 0.50 0.19 2.10 2.67 2.E-05 감금, 회전
1967 줄리엣타 율리히 1.28 0.11 2.70 6.67 2.E-05 찢다
1971 E-G 가르칭 0.70 0.11 2.80 6.67 3.E-05 찢기, 회전
1975 BN 쿠르차토프 0.90 0.21 0.45 0.27 - 1.07 5.E-05 형성
1979 토루 쿠르차토프 1.50 0.30 1.00 0.27 - 0.67 1.E-04 형성
1979 FRX-A 밧세루 1.00 0.25 0.60 0.53 - 0.93 3.E-05 감금
1981 FRX-B LANL 1.00 0.25 1.30 1.20 - 6.53 6.E-05 감금
1982 STP-L 나고야 1.50 0.12 1.00 1.20 3.E-05 회전
1982 네트워크 니혼 2.00 0.16 1.00 6.E-05 감금, 회전
1982 PIACE 오사카 1.00 0.15 1.40 6.E-05 회전
1983 FRX-C LANL 2.00 0.50 0.80 0.67 - 2.67 3.E-04 감금
1984 TRX-1 MSNW 1.00 0.25 1.00 0.67 -2.00 2.E-04 형성, 감금
1984 CTTX 펜실베이니아 주 0.50 0.12 0.40 13.33 4.E-05 감금
1985 HBQM 유워시 3.00 0.22 0.50 0.53 - 0.93 3.E-05 형성
1986 OCT 오사카 0.60 0.22 1.00 1.E-04 감금
1986 TRX-2 STI 1.00 0.24 1.30 0.40 - 2.67 1.E-04 형성, 감금
1987 CSS 유워시 1.00 0.45 0.30 1.33 - 8.00 6.E-05 느린 형성
1988 FRXC/LSM LANL 2.00 0.70 0.60 0.27 - 1.33 5.E-04 형성, 감금
1990 LSX STI/MSNW 5.00 0.90 0.80 0.27 - 0.67 안정성, 제한
선택된 필드 역방향 구성, 1988 - 2011[41]
장치 기관. 디바이스 타입 전자 밀도 최대 이온 또는 전자 FRC 직경 길이/직경
1020/미터3 온도 [eV] [미터]
슈페로막-3 도쿄 대학 스페로막 병합 중 5.0 – 10.0 20 – 100 0.40 1.0
슈페로막-4 도쿄 대학 스페로막 병합 중 10 – 40 1.20 - 1.40 0.5 – 0.7
소형 Torus Exp-II 니혼 대학 세타핀치 5.0 – 400.0 200 – 300 0.10 - 0.40 5.0 – 10.0
필드 반전 Exp 라이너 로스앨러모스 세타핀치 1,500.0 – 2,500.0 200 – 700 0.03 - 0.05 7.0 – 10.0
FRC 주입 기한 오사카 대학 번역 트래핑 3.0 – 5.0 200 – 300 0.30 - 0.40 7.0 – 15.0
스와스모어 슈페로막 엑스포 스와스모어 스페로막 병합 중 100 20 – 40 0.40 1.5
자기 재접속 기한 만료 프린스턴(PPPL) 스페로막 병합 중 5.0 – 20.0 30 1.00 0.3 – 0.7
Princeton 현장 반전 구성 실험(PFRC) 프린스턴(PPPL) 회전 B 필드 0.05 – 0.3 200 – 300 0.06
번역 제한 유지 워싱턴 대학교 회전 B 필드 0.1 – 2.5 25 – 50 0.70 - 0.74
번역 제한 유지 - 업그레이드 워싱턴 대학교 회전 B 필드 0.4 – 1.5 50 – 200 0.70 - 0.74 1.5 – 3.0
플라즈마 라이너 압축 MSNW 번역 트래핑 0.20
유도 플라즈마 액셀러레이터 MSNW 병합 충돌 23.0 – 26.0 350 0.20
유도 플라즈마 액셀러레이터-C MSNW 압축 병합 300.0 1200 - 2000 0.2 10.0
콜로라도 FRC 콜로라도 대학교 스페로막 병합 중
Irvine 필드 리버스 설정 UC 어바인 동축 소스 150.0 10 0.60
C-2 Tri Alpha Energy, Inc. 병합 충돌 5.0 – 10.0 200 – 500 0.60 - 0.80 3.0 – 5.0
STX 워싱턴 대학교 회전 B 필드 0.5 40 0.4 6
로타막 대초원 뷰 프레리뷰 A&M 회전 B 필드 0.1 10-30 0.4 2

우주선 추진

우주선의 추진에는 현장에서 반전된 구성 장치가 고려되어 왔다.장치의 벽을 바깥쪽으로 경사지게 함으로써 플라스모이드를 축방향으로 가속시켜 장치 밖으로 밀어낼 수 있어 추력을 발생시킨다.

「 」를 참조해 주세요.

외부 링크

레퍼런스

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