매디슨 대칭 토러스

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MST

매디슨 대칭 토러스
디바이스 타입	반전 필드 핀치
위치	미국 위스콘신 주, 매디슨
제휴	위스콘신 대학교 매디슨
링크
웹 사이트	MST 공식 웹사이트

Madison Symmetric Torus(MST)는 핵융합 에너지 연구 및 천체물리 플라스마 모두에 적용되는 반전장 핀치(RFP) 물리학 실험입니다.

MST는 위스콘신 매디슨 대학 자기 조직 센터(CMO)에 있습니다.

RFP는 특정 평균 자기장에 대해 높은 전력 밀도와 더 나은 구속 특성을 갖는 경향이 있다는 점에서 tokamaks(가장 일반적인 자기 구속 방식)와는 크게 다릅니다.RFP는 이상적이지 않은 현상과 난류 효과에 의해 지배되는 경향이 있습니다.

분류

대부분의 실험과 마찬가지로 MST 플라즈마는 트로이덜 핀치이며, 이는 플라즈마가 도넛처럼 생겼으며 도넛을 통과하는 큰 전류에 의해 생성된 자기장에 의해 제한된다는 것을 의미합니다.MST는 Reverse Field Pinch(RFP; 역방향 필드 핀치)라고 불리는 특수한 종류의 기계에 속합니다.RFP는 플라즈마에 침투하는 트로이덜 자기장이 가장자리 부근의 방향을 자발적으로 반전시키기 때문에 붙여진 이름입니다.

연관된 콘덴서 뱅크 또는 다른 고전류 전원으로부터 플라즈마를 통해 전류를 구동함으로써 다른 트로이덜 핀치 디바이스와 마찬가지로 역방향 필드 핀치가 형성된다.토카막에서는 트로이덜장이 폴로이드장보다 훨씬 강하지만 RFP에서는 정반대입니다.실제로 RFP에서는 외부에서 인가되는 트로이덜 필드가 시동 직후 꺼집니다.

RFP의 플라즈마도 Tokamak보다 벽면에 훨씬 가깝습니다.이를 통해 자기장 라인의 독특한 배치가 가능해져 플라즈마 내의 총 자기 에너지가 최소화되고 총 자기 헬리시티가 보존되도록 '완화'됩니다.테일러 상태라고 불리는 이완 상태는 가장자리의 트로이덜 자기장이 방향을 자발적으로 반전시키는 독특한 자기장 선 배열로 특징지어집니다.

MST 프로그램에서 진행 중인 실험

진동하는 필드 전류 드라이브

대부분의 트로이덜 구속 방식과 마찬가지로 RFP는 일시적인 전류 버스트에 의존하여 플라즈마와 이를 제한하는 자기장을 생성합니다.그러나 RFP가 실행 가능한 핵융합 에너지 후보가 되려면 플라즈마가 정상 상태의 전류원에 의해 유지되어야 합니다.OFCD는 플라즈마에 전력과 헬리시티를 주입하는 트로이덜 및 폴로이드 필드에 상당한 진동 섭동을 추가하여 이완 플라즈마에서 정상 전류를 구동하는 체계입니다.록히드-마틴 소형 핵융합로에도 비슷한 ^[2]접근법이 특허 출원되어 제안되었다.

플라즈마 내의 비선형 반응은 평균적으로 일정한 전류가 유지되도록 두 진동을 결합한다.

펠릿 주입

RFP가 직면한 과제 중 하나는 가장자리를 통해 천천히 스며드는 중수소 가스에 의존하지 않고 플라즈마의 핫 코어에 직접 연료를 공급하는 것입니다.펠릿 인젝터는 가스 폭발 또는 기계 펀치를 사용하여 동결된 중수소 펠릿을 혈장으로 발사합니다.펠릿은 플라즈마 핵으로 이동하면서 기화되고 이온화된다.

펄스 폴로이드 전류 드라이브

모든 구배는 자유 에너지의 원천입니다. 특히 자기장을 가로지르는 경우에는 더욱 그렇습니다.MST에서는 전류가 에지보다 코어에서 더 강합니다.이 피크 전류 프로파일은 톱니라고 불리는 플라즈마에서 격렬한 사건으로 절정에 이르는 자기 변동을 위한 자유 에너지의 원천으로 작용합니다.

PPCD는 플라즈마 가장자리에서 전류를 구동하여 전류 프로파일을 평탄하게 함으로써 이러한 영향을 완화합니다.트로이덜 필드를 구동하는 전원 공급기 전류에 작은 펄스가 추가됩니다.패러데이의 법칙에 의해 생성된 펄스 트로이덜 자기장은 폴로이드 전기장과 그에 따라 폴로이드 전류를 생성합니다.MST에 대한 많은 연구가 이 효과의 연구와 강화된 구속을 위한 적용에 전념하고 있다.

뉴트럴 빔 분사

지속적인 핵융합 반응을 일으키기 위해서는 일반적으로 혈장을 가열하는 여러 가지 방법을 사용해야 합니다.NBI(Nutral Beam Injection)는 중성 원자(일반적으로 수소 또는 중수소)의 고에너지 빔을 플라즈마 코어에 주입하는 것을 포함합니다.이 에너지 원자들은 에너지를 플라즈마로 전달하여 전체적인 온도를 높인다.주입된 중성 원자는 중립 상태를 유지하지 않습니다.

빔이 플라즈마를 통과할 때 원자는 플라즈마 내의 이온에서 튕겨나가면서 이온화된다.토러스 내부의 자기장은 원 모양으로 구부러져 있기 때문에, 고속 이온은 백그라운드 플라즈마 안에 갇히게 되는 것이 바람직하다.공기 저항이 야구공을 느리게 하는 것과 마찬가지로, 구속된 빠른 이온은 배경 플라즈마에 의해 느려집니다.빠른 이온에서 플라즈마로 에너지가 전달되면 플라즈마 온도가 높아집니다.실제 인젝터는 관찰 창에서 볼 수 있습니다.그것은 옆으로 눕혀진 긴 은색 원통처럼 보이지만 기계 뒤쪽의 토러스에 약간 아래로 기울어져 있습니다.인젝터가 펄스 상태일 때 20,000V가 빔을 약 1.5밀리초 동안 약 30암페어 전류로 가속합니다.

만약 빠른 이온들이 에너지를 축적할 수 있을 만큼 오랫동안 플라즈마 안에 갇혀 있지 않다면 문제가 발생할 것이다.자기 변동 베드악 플라즈마 가두는 이런 종류의 장치에 우리가 원하는 자기장들을 뒤섞어 놓는 겁니다.만약 빠른 이온이 이런 종류의 행동에 민감하다면, 그들은 매우 빠르게 빠져나갈 수 있습니다.하지만, 그들이 그렇지 않다는 증거가 있다.

전자 번스타인 파형 전류 드라이브

EBW는 Electron Bernstein Wave의 약자로 플라즈마 물리학자 Ira Bernstein의 이름을 따왔다.

Bernstein Wave 모드는 핵융합 조건에 도달하기 위해 이온 또는 전자 에너지(IBW 또는 EBW)를 플라즈마에 주입하여 온도를 높이는 방법과 관련이 있습니다.플라즈마는 번개와 방전 중에 자연적으로 발생하는 물질의 상으로, 극도로 높은 ^[3]온도를 생성하기 위해 핵융합로에서 인공적으로 생성된다.

이것은 MST를 이용하여 플라즈마를 가열하고 플라즈마 내부에 전류를 흘려보내는 실험입니다.

이 기계 내부의 플라즈마에는 대량의 전류가 흐르고 있으며, 역방향 필드 핀치 구성을 위해 필요한 자기장을 생성하는 역할을 합니다.또한 토스터 내부의 와이어가 뜨거워지는 것과 마찬가지로 플라즈마를 매우 빠르게 가열합니다.토스터는 약 10암페어의 전류를 사용하는 반면 MST의 플라즈마는 최대 600,000암페어까지 가열됩니다.하지만 플라즈마가 화씨 1천만 도 이상에 도달하더라도, 실용적 핵융합 에너지를 위한 충분한 온도가 아니기 때문에 우리는 플라즈마에 에너지를 저장할 다른 방법을 찾아야 한다.EBW는 극초단파 전력을 주입하여 플라즈마를 더욱 가열하는 방법입니다.표준 전자레인지는 2.45GHz의 주파수로 약 1kW의 전력을 생산하고 있습니다.EBW 실험은 현재 3.6GHz에서 150kW를 생산하고 있으며, 팀의 목표는 2MW 이상으로 업그레이드하는 것입니다.이러한 종류의 전력을 생산하기 위해서는 해체된 군사용 레이더 장비와 가정용 전압 공급 장치가 사용됩니다.

EBW 실험의 두 번째(그리고 아마도 더 과학적으로 중요한) 목표는 플라즈마 내의 정해진 장소에서 전류를 구동하는 것입니다.메인 플라즈마 전류는 자연스럽게 분배되며 플라즈마는 전류를 중앙으로 집중시키는 경향이 있어 가장자리 근처에 전류가 적게 남습니다.이로 인해 플라즈마가 불안정해질 수 있습니다.(Madison Symmetric Torus의 실험과 이론적으로 모두) 에지에 전류를 흘리면 플라즈마가 자기장의 변동에 더 안정되어 고온 플라즈마의 구속이 개선되고 온도가 훨씬 높아진다는 것이 입증되었습니다.EBW를 사용하여 이 안정화 전류를 구동하는 것은 매우 중요한 과학적 결과가 될 것입니다.보조 전류를 매우 구체적으로 저장할 수 있는 기능은 현재 구동 방식을 최적화할 수 있는 기회를 제공합니다.가열은 또한 매우 국소적이며, 우리는 플라즈마가 얼마나 뜨거워질 수 있는지를 연구할 수 있습니다. 플라즈마 물리학 용어로 이것을 베타 한계 발견이라고 합니다.이는 RFP에 대한 답변이 없는 질문이며, 이러한 유형의 기계를 비용 효율적이고 효율적인 핵융합 원자로로 확장할 수 있는지 여부를 파악할 수 있습니다.

중이온 빔 프로브

중이온빔프로브(HIBP)는 혈장으로 칼륨이온을 발사합니다.이들의 궤적을 측정함으로써 혈장 내부의 몇 가지 주요 성질에 대한 프로파일을 얻을 수 있습니다.

이 다용도 진단 도구는 플라즈마의 전위, 전자 밀도, 전자 온도 및 자기 벡터 전위를 결정하기 위한 자기 구속 융합 실험에 사용되어 왔습니다.

이온건으로부터 자기장을 가로질러 나트륨 이온류(일차 빔)를 플라즈마 안으로 주입한다.단전하 입자가 플라즈마를 통과함에 따라 더욱 이온화되어 이중전하 2차 빔이 생성된다.

그런 다음 세컨더리는 혈장 밖에서 검출되고 분석됩니다.궤적을 곡면함으로써 자기장은 2차 이온과 1차 이온을 분리한다.따라서 특정 플라즈마 위치에서 이온화된 보조 장치만 특정 검출기 위치에 도달한다.이를 통해 HIBP는 이온화 위치에 맞게 국부적으로 측정할 수 있습니다.2차 전류는 국소 전자 밀도 및 1차 이온의 이온화 단면과 관련이 있으며, 이는 그 자체로 전자 온도의 함수입니다.전위는 1차 이온 빔과 2차 이온 빔 간의 에너지 차이에서 얻을 수 있습니다.보조 빔의 에너지는 에너지 분석기에 들어가는 각도에서 확인할 수 있습니다.

MST-HIBP 시스템은 다음과 같이 구성됩니다.

1. 진단 이온 빔을 형성, 집중 및 가속하는 200 keV 정전 가속기
2. 빔 전송 및 조향을 제공하는 스위프 시스템을 갖춘 1차 및 2차 빔 라인
3. 보조 빔의 에너지, 강도 및 위치를 측정하는 정전 분석기
4. 1차 빔 검출기 및 플라즈마/UV 억제 구조 등을 포함하는 보조 부품 및 시스템

원적외선 편광 간섭계

FIR, 즉 원적외선은 1에서 10mm 사이의 파장을 가진 빛을 말한다.MST의 FIR 시스템은 2층 복도의 그림 오른쪽에 있는 베이지색 레이저 안전실에 둘러싸인 FIR 레이저를 기반으로 합니다.시스템에는 4개의 FIR 레이저가 있습니다.하나는 CO레이저로₂ 약 120W의 연속전력을 발생시킵니다.이 빔은 세 개로 분할됩니다.각 빔은 432.6mm 파장과 약 20mW의 전력으로 작동하는 포름산 증기 레이저를 광학적으로 펌프한다.FIR 시스템에는 간섭 측정과 편광 측정의 두 가지 작동 모드가 있습니다.

FIR 진단 시스템은 무엇을 측정합니까?

전자 밀도, 플라즈마 전류 밀도 및 자기장은 MST의 세 가지 중요한 플라즈마 파라미터입니다.FIR 시스템은 공간 및 시간 분포를 측정하는 데 사용됩니다.

FIR 간섭계는 어떻게 작동합니까?

유리와 마찬가지로 플라즈마는 플라즈마 전자 밀도에 따라 달라지는 진공(또는 공기)의 굴절률과는 다릅니다.플라즈마(프로브 빔)를 통해 레이저 빔을 1개, 공기(기준 빔)를 통해 레이저 빔을 1개 보내 위상차를 측정합니다.이 실험적인 구성은 마하-젠더 간섭계라고 불립니다.측정된 위상은 빔 경로를 따라 평균 플라즈마 전자 밀도에 비례합니다.

MST에서는 여러 개의 프로브 빔(그림의 파란색 선)을 다른 반지름의 플라즈마를 통해 보냅니다.그런 다음 이른바 아벨 반전 기술을 적용하여 플라즈마 전자 밀도의 프로파일을 얻습니다.

FIR 편광 측정은 어떻게 작동합니까?

플라즈마도 광학적으로 활성화된 매체입니다.즉, 직선 편광 전자파가 자기장에 평행(또는 반평행)으로 전파될 때 플라즈마에서 나오는 파형의 편광은 작은 각도로 회전합니다.이것을 패러데이 회전이라고 하며, 각도를 패러데이 회전 각도라고 합니다.FIR 시스템은 패러데이 회전을 측정합니다. 패러데이 회전은 전자 밀도에 빔 경로에 평행한 자기장 성분을 곱한 선 평균에 비례합니다.

패러데이 회전의 이유는 다음과 같습니다.직선 편파가 자기장 선을 따라 전파될 때, 그것은 왼쪽과 오른쪽의 원편파 성분으로 분해됩니다.플라즈마에서 나올 때의 위상차에 의해 재조합된 선형 편파가 편파 방향으로 회전합니다.MST에서는 플라즈마를 프로빙하기 위해 두 개의 공동 전파, 역회전 파동을 발사합니다.그런 다음 이 두 빔 사이의 위상차를 측정하여 패러데이 회전각의 두 배가 됩니다.

그림에서 11개의 파란색 프로브 빔 각각은 2개의 역회전 원편광 빔의 조합으로 간섭계와 동일한 코드를 따라 패러데이 회전 각도를 측정합니다.그런 다음 결합된 간섭계 위상과 패러데이 회전 각도를 결합하여 폴로이드 자기장 분포를 결정할 수 있습니다.암페어의 법칙을 사용하여 트로이덜 플라즈마 전류도 결정할 수 있습니다.

FIR 진단 시스템은 얼마나 잘 작동합니까?

MST의 FIR 시스템은 매우 정밀합니다.MST 플라스마의 패러데이 회전각은 일반적으로 5도 이내입니다.이러한 작은 신호를 측정하기 위해 0.06도의 정확도를 달성했습니다.시간 분해능이 1마이크로초 미만입니다.

FIR에 관한 조사 주제는 무엇입니까?

FIR은 기본 플라즈마 파라미터에 대한 정보를 제공하기 때문에 MST의 대부분의 연구 주제에 필수적인 도구입니다.이 시스템은 전자 밀도, 트로이덜 전류, 폴로이드 자기장 및 각각의 공간 프로파일을 측정합니다.

현재 플라즈마 바이-리플렉스 효과, 즉 코튼-무톤 효과를 이용하여 트로이덜 자기장과 폴로이드 플라즈마 전류를 측정할 수 있는 가능성을 모색하고 있습니다.직선 편파 전자파가 자기장에 수직으로 전파될 때, 굴절률은 파형 편파가 자기장 방향에 평행한지 수직인지에 따라 달라집니다.

FIR 레이저를 선택하는 이유

플라즈마 편광-간섭법의 경우, 우리가 선택한 파장은 측정 가능한 플라즈마 유도 위상 변화를 제공할 수 있을 만큼 충분히 길지만 빔의 굴곡을 포함한 복잡한 플라즈마-파 상호작용을 피할 수 있을 만큼 짧습니다.이 파장 범위에는 많은 고출력 분자 레이저 라인이 있으며, 시판되는 많은 검출기가 있습니다.

톰슨 산란

톰슨 산란이란?

톰슨 산란은 광자(전자파)와 전자와 같은 하전 입자 간의 충돌의 결과입니다.전자와 광자가 "충돌"하면 전자는 광자의 진동하는 전기장과 자기장으로부터 로렌츠 힘을 느끼고 가속됩니다.이 가속은 전자가 다른 방향으로 다른 광자를 방출하게 만든다.이 방출된 광자는 입사 광자와 전자 에너지에 의존하는 양만큼 다른 파장을 가지고 있다.이것을 보는 또 다른 방법은 전자가 광자의 에너지를 흡수하고 다른 전자파의 형태로 에너지를 방출하는 것이다.전자에 의한 광자의 산란을 톰슨 산란이라고 한다.

톰슨 산란이 플라즈마 물리학자에게 어떻게 유용한가?

산란광자의 파장은 산란전자의 에너지에 따라 달라지기 때문에 톰슨 산란은 전자의 에너지를 측정하는 좋은 방법이다.이것은 알려진 파장의 광자를 만들고 산란된 광자의 파장을 측정함으로써 이루어집니다.MST에서의 Thomson Scattering 설정에서는 1064 nm Nd:세계 ^[4]최고의 시간 분해능 전자 온도 판독치를 제공하는 YAG 레이저 시스템.고출력 레이저로 광자를 만들어 MST 상단의 창을 비추고 MST 측면의 큰 집광 렌즈로 산란 광자를 수집합니다.

산란된 광자의 파장 분포는 플라즈마 내 전자의 에너지 분포를 알려주며, 우리에게 전자의 온도를 얻는 직접적인 방법을 제공합니다.우리가 실제로 수집하는 광자의 양은 또한 플라즈마 내 전자의 밀도에 대해 우리에게 알려줄 수 있다.

전하교환재조합분광학 및 이온도플러분광법

융접 플라즈마는 일반적으로 중성가스의 이온화에 의해 발생합니다.대부분의 경우, 중수소라고 불리는 수소의 동위원소가 플라즈마 연료로 사용된다.따라서 이러한 플라즈마는 주로 중수소 이온(및 전자)으로 구성되어 있으며, 관련된 플라즈마 물리학을 이해하려면 이러한 이온의 동작을 진단해야 합니다.그러나 어떤 핵융합 장치에서도 다른 유형의 이온("불순물")도 존재합니다.연료 주입 전에 핵융합로에서 완벽한 진공 상태를 얻을 수 없기 때문에 자연적으로 존재한다.따라서 수증기, 질소, 탄소 등의 물질은 일반적인 플라즈마 방출에서 소량 발견됩니다.플라즈마-벽 상호작용으로 인해 플라즈마 방전 중에 불순물이 발생할 수도 있습니다.

이러한 상호작용은 주로 스패터링을 통해 벽에서 플라즈마로 물질이 배출되는 원인이 됩니다.Madison Symmetric Torus(MST)에서는 불순물 이온(예를 들어 탄소, 산소 등)의 특성이 이온종 간의 강한 상호작용의 결과로 중수소 이온의 특성과 밀접하게 관련되어 있다.따라서 불순물 이온 측정은 원칙적으로 중수소 이온에 대한 직접적인 정보를 제공할 수 있다.불순물 이온 온도(T_i)와 유속(v_i)의 측정은 Charge Exchange Reconnation Spectroopy(CHERS)를 사용하여 MST에서 얻을 수 있습니다.

CHERS 프로세스는 다음 두 단계로 나눌 수 있습니다.전하 교환 및 방사성 붕괴.제1단계에서는 전자가 중성원자(예를 들어 중수소)에서 전자가 없는 불순물 이온(예를⁺⁶ 들어 C)으로 이동한다.이 이동 중에 전자는 일반적으로 불순물 이온의 들뜬 상태(높은 에너지 수준)로 끝납니다.전자가 지면 상태(최소 에너지 수준)까지 감소하기 때문에 에너지 보존을 위해서는 불순물 이온에 의해 방사선이 방출되어야 합니다.이 방출은 에너지, 즉 파장의 이산 값을 가지고 있으며, 이는 특정 전자 전이의 초기 원자 수준과 최종 원자 수준 사이의 에너지 차이에 해당합니다.예를 들어 중수소 원자와 C 이온 간의⁺⁶ 전하 교환을 고려하자. 전자가 탄소 이온의 n=7 에너지 준위로 전달되면 이온은 n=7과 n=6 수준, n=6과 n=5 수준, n=4 수준 등 (n=1까지) 에너지의 차이로 주어진 이산 에너지로 방사선을 방출한다.이 선 방출은 이온 열운동의 결과로 도플러 확대되고 이온 흐름의 결과로 도플러 시프트됩니다.도플러 시프트는 이온이 관측 지점을 향해 이동하는 경우 방출을 파란색 시프트(단파장/높은 주파수 방향)로, 흐름이 관측 지점에서 멀리 떨어져 있는 경우 빨간색 시프트(긴 파장/낮은 주파수 방향)로 유발합니다.따라서 탄소배출선 형상의 측정은 불순물 이온 온도 및 속도 값을 추출하기 위해 사용된다.

충전 교환:H + C⁺⁶ →

H⁺¹ + C⁺⁵ (n=7, l=6)

방사성 붕괴: C⁺⁵ (n=7, l=6) →

C⁺⁵(n=6, l=5) + h(표준)

일반적인 핵융합 장치에서는 중성 원자 밀도가 작습니다.따라서 불순물 이온과 중성자 사이의 전하 교환에 의한 방사 방출량도 적다.MST에서는 진단 중성 빔(DNB)을 통해 고속 수소 원자를 주입함으로써 중성 밀도가 향상됩니다.그 결과, 주로 빔 분사 경로를 따르지만 방사 방사 방사량이 크게 증가한다(DNB는 데크 아래에 있어 여기에서 볼 수 없고 주입 경로는 플라즈마를 가로질러 오른쪽에서 왼쪽으로).빔 경로에 수직인 경우, 서로 다른 반경 위치에서 플라즈마를 보기 위한 다수의 광 포트가 있습니다.소정의 플라즈마 방전에서는 파이버 번들 시스템이 이러한 포트 중 하나에 배치되어 가시선을 따라 방출을 수집하기 위해 사용됩니다(기계 위에 있는 검은색 튜브는 광 채집 광학을 포함합니다. 사용하지 않을 때는 섬유가 길고 구부러진 흰색 튜브에 배치됩니다).이 방출은 한 쌍의 광학 격자에 의해 스펙트럼계로 보내져 한정된 파장 범위(관심 방사선을 중심으로)에 걸쳐 분산됩니다.그러나 수집된 방출은 빔 경로를 따라 발생하는 방사선에 의해 지배되기 때문에 측정치는 파이버 뷰와 빔 사이의 교차 부피에 효과적으로 국소화됩니다.MST에서 이 교점 부피는 플라즈마 부피에 비해 작기(~2cm³) 때문에 공간적으로 분해된 T와_i v의_i 측정값을 얻을 수 있다.섬유다발 시스템의 위치가 다른 여러 플라즈마 방전으로부터 수집된 데이터는 불순물 이온 온도 및 속도의 방사형 프로파일을 구축하는 데 사용되며 MST의 플라즈마 물리학을 이해하기 위한 중요한 정보를 제공한다.MST 상의 CHERS에 의해 측정된 일반적인 이온 온도는 다음과 같은 범위에 있다.혈장 내 위치 및 방전 유형에 따라 100~800eV(화씨 200만~1700만℃)마찬가지로 측정된 평형 이온 속도는 초당 1,000 미터에서 10,000 미터 정도입니다.

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