미그마

Migma

미그마(Migmatron) 또는 미그마셀(Migmacell)은 1969년 [1]보그단 마그리히가 설계한 충돌빔 핵융합로였다.Migma는 작은 입자 가속기에서 나오는 이온 빔을 사용하여 이온을 강제로 융합시킵니다.미세 먼지 크기까지 더 큰 입자 집합을 사용하는 유사한 시스템을 "매크론"이라고 불렀다.Migma는 1970년대와 1980년대 초에 일부 연구의 영역이었지만 자금 부족으로 인해 더 이상의 개발이 불가능했다.

재래식 핵융합

핵융합은 원자들이 가까이 다가오고 핵의 강한 힘이 그들의 핵을 함께 끌어당길 때 일어난다.이 과정을 상쇄하는 것은 모든 핵이 양전하를 띠면서 정전력에 의해 서로 밀어낸다는 사실이다.핵융합이 일어나기 위해서는 핵이 이 쿨롱 장벽을 극복할 수 있는 충분한 에너지를 가지고 있어야 한다.양성자가 적은 원자에 대해서는 장벽이 낮아지고 양성자와 중성자의 총수인 추가 핵자에 의해 강한 힘이 증가한다.이것은 중수소와 삼중수소의 조합이 약 100 keV에서 가장 낮은 쿨롱 장벽을 가지고 있다는 것을 의미한다. (융합을 위한 요건 참조)

연료가 높은 에너지로 가열되면 전자는 핵에서 분리되고 핵은 가스 형태의 플라즈마에서 이온으로 남습니다.기체의 입자는 맥스웰-볼츠만 분포로 알려진 스펙트럼에서 광범위한 에너지로 분포된다.주어진 온도에서 대부분의 입자는 낮은 에너지이며, "긴 꼬리"는 훨씬 높은 에너지에서 더 적은 수의 입자를 포함합니다.따라서 100 keV는 10억 도 이상의 온도를 나타내지만, 핵융합 이벤트를 생성하기 위해 연료를 전체적으로 이 온도로 가열할 필요는 없습니다.훨씬 낮은 온도에서도 긴 꼬리 부재 간의 융접 속도는 일정 기간 한정되어 있기 때문에 충족될 가능성이 있는 한 유용한 출력을 제공할 수 있을 정도로 높을 수 있다.밀도가 증가하면 반응 에너지가 주변 연료를 가열하고 연료에서 핵융합을 유발할 수 있기 때문에 속도가 증가합니다.온도, 밀도 및 감금 시간의 조합을 로슨 기준이라고 합니다.

핵융합 에너지 문제를 해결하기 위해 두 가지 주요 접근법이 개발되었습니다.관성 구속 접근 방식에서는 연료가 매우 높은 밀도로 빠르게 압축되어 프로세스 내부 온도가 높아집니다.어떠한 시간 동안 이러한 상태를 유지하려는 시도는 없으며, 힘이 방출되는 즉시 연료가 외부로 폭발합니다.가두는 시간은 나노초 정도이므로 상당한 양의 연료가 융합되기 위해서는 온도와 밀도가 매우 높아야 합니다.이 접근방식은 핵융합 반응을 일으키는 데는 성공했지만 지금까지 압축할 수 있는 장치(일반적으로 레이저)는 반응보다 더 많은 에너지를 필요로 합니다.

보다 광범위하게 연구된 자기 구속 방식에서, 전기적으로 충전된 플라즈마는 자기장으로 제한된다.연료는 온도 분포의 꼬리 부분에 있는 연료 중 일부가 융접되기 시작할 때까지 천천히 가열됩니다.자석을 사용할 수 있는 온도와 밀도에서는 융접 과정이 상당히 느리기 때문에 이 방법은 수십 초 또는 몇 분 정도의 긴 구속 시간이 필요합니다.최신 실험 기계는 순 전력 생산에 필요한 조건에 근접하고 있지만, 이러한 시간 척도를 위해 가스를 수백만 도에 가두는 것은 어려운 것으로 입증되었습니다.

미그마 핵융합

충돌빔 접근법은 입자 가속기에서 직접 이온을 가속화함으로써 연료 덩어리를 이러한 온도로 가열하는 문제를 피했다.

이러한 시스템을 만드는 간단한 방법은 두 개의 가속기를 서로 겨누는 것이다.하지만, 두 이온이 충돌할 확률은 극히 미미합니다; 대부분의 이온들은 서로 옆을 날아갈 것이고 그들에게 투입된 에너지는 손실될 것입니다.이런 시스템을 에너지 측면에서 실용화하려면 입자가 재순환돼야 충돌할 가능성이 많다.이렇게 하는 한 가지 방법은 저장 고리를 사용하는 것이지만 반응에 가까운 이온은 고리를 빠져나가게 하는 높은 각도로 흩어집니다.간단한 수학은 이 접근방식이 작동하지 않을 것이라는 것을 보여주었다; 이러한 니어미스로부터의 손실률은 항상 핵융합 [2]반응에서 얻은 에너지보다 훨씬 더 높을 것이다.

마그리히의 개념은 "프리셋론"으로 알려진 그가 공동 발명한 새로운 입자 저장 개념을 바탕으로 배치를 수정했습니다.일반적인 스토리지 링 개념에서는 입자가 링의 경로를 따르도록 특정 에너지로 링에 "엔드 온"으로 발사됩니다.반면 프리셋론에서는 저장 영역이 자기 거울이다.대부분의 자기거울 배열에서 평균 입자 에너지는 상대적으로 낮고 이온과 전자는 자기력선 주위에 상대적으로 작은 궤도를 가지며, 전체 거울의 지름보다 반지름이 훨씬 작습니다.프리셋론에서 이온은 훨씬 더 높은 에너지를 가지고 있고, 따라서 거울 직경의 상당한 부분을 차지하는 훨씬 더 큰 궤도를 가지고 있습니다.1/3 ~ 1/2 。이 배열에서 이온은 기존의 미러 [3]설정처럼 끝부분을 앞뒤로 반사하는 대신 미러 볼륨의 중심을 향해 이동하는 경향이 있습니다.

또, 필드의 배치에 의해, 체적외부에서 필드가 강하기 때문에, 이온 궤도는 내부 영역 주위에 세차합니다.그러면 원형 경로가 회전 중심을 이동합니다.예를 들어, 미립자가 미러 영역의 아래쪽 절반 주위를 선회하도록 저장 영역으로 처음 발사되면 미립자는 천천히 움직여서 궤도가 한쪽에 있고, 그 다음에는 위쪽, 반대쪽, 그리고 다시 바닥에 있게 됩니다.시간이 지남에 따라 이온의 경로를 추적하면 스피로그래프와 비슷한 패턴을 형성해 볼륨을 [4]채우는 일련의 원을 만든다.

미그마 시스템에서 이 개념을 사용한 열쇠는 이온을 올바른 에너지로 챔버에 발사하여 이온 경로가 거울의 기하학적 중심을 통과하도록 하는 것이었습니다.잠시 후, 이 궤도는 초기 진입점에서 멀어질 것이다.또 다른 이온이 발사되면 원래 궤도를 차지하게 됩니다.시간이 지남에 따라, 챔버는 실질적으로 무한한 수의 저장 링이 중앙에서 교차하는 범위 내에서 공전하는 이온으로 채워질 것입니다.그리고 중앙에서 만났기 때문에 챔버 반대쪽의 이온은 만날 때 반대 방향으로 움직이기 때문에 하나의 가속기로 기존의 레이아웃에서 [4]두 개의 가속기와 비슷한 효과를 낼 수 있었습니다.

이 접근법의 큰 장점은 "실종된" 반응에서 이온의 전방 산란이 단순히 다른 궤도로 이동시킬 뿐이지만 거울 영역에서의 자연스러운 움직임은 이온을 빠르게 중앙으로 돌려보낼 수 있다는 것입니다.큰 축을 벗어난 각도로 흩어지는 이온들만이 빠져나갔다.그 결과, 주어진 이온은 시스템에서 [5]산란되기 전에 반응 영역을 통해 약 10바퀴를8 돌 것으로 예상되었다."migma"라는 용어는 그리스어로 "혼합물"을 뜻하는 단어에서 유래했으며, 기존의 [2]기계에서 이 궤도를 도는 이온 덩어리와 플라즈마를 구별하기 위해 선택되었습니다.

원자로

1973년 미그마 원자로(소급적으로, 미그마 I), 1975년 미그마 II, 1976년 미그마 III, 1982년 [6]미그마 IV로 정점을 찍었다.이 장치들은 직경이 약 2미터(6피트 7인치)이고 두께가 1미터(3피트 3인치)인 원반 모양의 표적 챔버를 가진 가속기 빔 라인을 따라 몇 미터 밖에 되지 않는 비교적 작은 크기였다.Migma 테스트베드 장치는 약 [7]1MeV에서 2MeV의 [2]가속기를 사용했습니다.

Migma는 일반적인 D-T 반응보다 훨씬 높은 온도를 필요로 하는 아뉴트로닉 연료, 특히 D-He3 반응의 사용을 목표로 설계되었습니다.Migma II는 [6]1975년에 필요한 온도인 약 150억도에 도달했습니다.Migma IV는 1982년에 [6]25초의 감금 시간 기록을 세웠으며, JET가 1987년에 [6]3 × 101414 keV sec−3 cm를 달성할 때까지 기존의 토카막에서는 접근하지 않았던 4 × 10 keV sec−3 cm의 핵융합 삼중곱(밀도 × 에너지 신뢰 시간 × 평균 에너지) 기록을 세웠다.

Migma IV가 도달한 3중 제품을 100~1000배로 늘려야 순에너지를 생산할 수 있습니다.[6]Maglich는 한동안 후속 디자인을 위한 자금을 확보하려고 시도했지만 성공하지 못했습니다.The Scientist 기사에 따르면, Maglich는 1980년대부터 [8]다양한 자금 조달 기관들과 신랄한 논쟁을 벌여왔다.

문제

Migma 설계가 처음 검토되었을 때 입자 가속기 기술을 사용하여 모델링되었습니다.설계의 베타인 플라즈마 압력에 대한 자기장의 비율에 대해서는 깊이 고려하지 않았습니다.기존의 거울과 같이 기존의 설계에서, 베타판은 원자로 내부의 주어진 양의 연료에 대해 자석이 얼마나 강력해야 하는지를 나타내는 핵심 성능 수치이다.자석의 비용은 출력에 따라 달라지기 때문에 원자로의 경제성을 대략적으로 추정할 수 있습니다.Migma에서는 기존 의미의 플라즈마가 없기 때문에 이온의 에너지와 필드를 일치시켜 제한 상태를 유지하는 한 이 고려사항이 적용되는지 명확하지 않았습니다.[9]

하지만 이온이 지속적으로 공급되면 반응 챔버가 점점 더 양전하를 띠게 됩니다.이것은 이상적인 가스 법칙에 의해 야기되는 기존의 플라즈마 압력과 유사한 외부 압력을 생성했다.결국, 이 압력은 입자의 에너지와 상관없이 자기장을 압도할 것입니다.이 한계치를 밑돌기 위해서는 입자의 밀도가 일반적인 [10]거울 설계보다 약 1000분의 1로 매우 낮아야 했다.

이러한 효과는 이온뿐만 아니라 전자도 주입함으로써 상쇄되어 거시적인 부피가 중화된다.하지만, 이것은 원자로에서 에너지를 잃게 하는 두 가지 새로운 효과로 이어진다.하나는 전자가 이온에 무작위로 충돌하여 이온을 중화시키는 것입니다. 즉, 이온은 더 이상 자기장의 영향을 받지 않고 반응실을 자유롭게 빠져나갈 수 있습니다.이러한 중화 현상이 일어나지 않더라도 전자와 이온 사이의 충격은 전자가 브렘스스트룽과 싱크로트론 [9]방사선을 통해 에너지를 방출하도록 할 것이다.

일부 임계 전자 밀도에서는 이러한 손실이 가속기에 의해 시스템에 공급되는 에너지의 양보다 커집니다.이 문제를 해결하기 위해, [9]이 설계는 이온 100개당 전자 1개씩 매우 낮은 전자 수로 작동하도록 의도되었습니다.이는 설계의 가능한 작동 매개변수에 상당한 제한으로 이어집니다. 전자 계수가 낮으면 연료 밀도가 낮아야 자석을 압도하는 양의 전하를 피할 수 있지만, 더 높은 연료 밀도를 허용하도록 전자 밀도를 높이면 전자 [9]효과를 통해 손실이 증가하기 시작합니다.

이 수치를 개선하기 위해 두 번째 가속기 또한 챔버에 전자를 발사하는 것이 제안되었습니다. 전자가 이온과 만나면 전자는 중화되므로 더 이상 자기장의 영향을 받지 않고 챔버를 떠날 수 있습니다.이 작업을 하기 위한 열쇠는 더 이상 유용하지 않은 느린 이온들이 [10]모여 있는 중심부로 전자를 보내는 것이다.자유 전자도 원자로실 [9]내의 장치에 의해 소거되어야 했다.

1990년대 후반, 이러한 문제에 대한 일반적인 고려는 Migma만의 문제가 아니라는 것을 시사했습니다. 비열화 연료에서 브렘스스트래잉을 고려할 때, 비열화 연료(Migma 포함)를 사용하는 어떠한 시스템도 발화에 접근할 수 없는 것으로 보입니다.손실.이론적으로 작동 가능성이 있는 것으로 보이는 유일한 접근법은 열화 플라즈마 [11]질량에서의 D-T 반응 또는 아마도 D-D 반응입니다.

레퍼런스

  1. ^ Maglich, Bogdan (1973). "The Migma principle of controlled fusion". Nuclear Instruments and Methods. 111 (2): 213–235. Bibcode:1973NucIM.111..213M. doi:10.1016/0029-554X(73)90068-2.
  2. ^ a b c 매글리치 1973, 페이지 213
  3. ^ Rostoker, N.; Wessel, F.; Maglich, B.; Fisher, A. (June 1992). Magnetic Fusion with High Energy Self-Colliding Ion Beams (Technical report). University of Texas. p. 3.
  4. ^ a b 매글리치 1973, 페이지 214
  5. ^ 매글리치 1973, 페이지 215
  6. ^ a b c d e Bird, David (20 January 1990). "Letter: And Migma Facts". The Scientist.
  7. ^ Migma IV 고에너지 퓨전 어페라투스
  8. ^ Crease, Robert (27 November 1989). "Visionary Physicist's Crusade Serves As Lesson In Futility". The Scientist.
  9. ^ a b c d e 영국 1,422,545, Bogdan Maglich, "핵융합로", 1978년 1월 28일 발행
  10. ^ a b Thomsen, Dietrick (16 June 1973). "Figure Eights for Fusion: The Migma's Mix". Science News. 103 (24): 392–393. JSTOR 4548307.
  11. ^ Rider, Todd (June 1995). "Fundamental Limitations on Plasma Fusion Systems Not in Thermodynamic Equilibrium". Thesis (Ph.D.) -- MIT Department of Electrical Engineering and Computer Science. hdl:1721.1/11412.

외부 링크