Princeton 필드 리버스 구성

Princeton field-reversed configuration
실험 중 PFRC-2 장치의 회전 자기장 펄스 1개

프린스턴의 PFRC는 프린스턴 플라즈마 물리 연구소(PPPL)에서 핵융합 발전로의 구성을 평가하는 실험 프로그램인 플라즈마 물리학의 일련의 실험이다.이 실험은 홀수 패리티 회전 [3][4]자기장으로 형성된 긴 펄스,[1] 무충돌, 낮은 s 파라미터[2] 필드 반전 구성(FRC)의 역학을 조사합니다.그것은 그러한 구성이 세계적으로 안정적이고 전통적인 자기 [2]확산에 필적하는 운송 수준을 가지고 있다는 물리학 예측을 실험적으로 검증하는 것을 목표로 한다.또한 이 기술을 우주선 [5]추진용 Direct Fusion Drive 개념에 적용하고자 한다.

역사

PFRC는 처음에 미국 에너지부의 자금 지원을 받았다.운영 초기에는 번역 제한 유지 실험(TCS) 및 프레리 뷰 로타막(PV Rotamak)과 같은 RMF-FRC와 동시대에 이루어졌습니다.

PPPL에서는 2008년부터 2011년까지 PFRC-1 [6]실험을 실시했습니다.PFRC-2는 2019년 현재 가동 중입니다.다음에 PFRC-3이 스케줄 됩니다.PFRC-4는 2020년대 [6]중반으로 예정되어 있습니다.

홀수 패리티 회전 자기장

주요 기사:필드 리버스 컨피규레이션 formation형성

PFRC에서 Field-Reverseed Configuration(FRC; 필드 반전 구성)을 형성하는 전류는 회전 자기장(RMF)에 의해 구동됩니다.이 방법은 잘 연구되었고 로타막 시리즈의 [7]실험에서 좋은 결과를 낳았다.그러나 이러한 실험과 다른 실험에서 적용된 회전 자기장(이른바 짝수 패리티 RMF)은 자기장 라인의 개방을 유도합니다.축대칭 평형 FRC 자기장에 가로 자기장이 인가되면 자기장 라인이 스스로 닫혀 닫힌 영역을 형성하지 않고 방향에서 소용돌이치며 최종적으로 닫힌 FRC [3]영역을 포함하는 분리기 표면과 교차한다.

실험 중 느린 동작으로 PFRC-2 장치의 회전 자기장 펄스 1개

PFRC는 RMF 안테나를 사용합니다.RMF 안테나는 기계 축의 길이를 따라 반쯤 수직 방향으로 대칭면의 방향을 바꾸는 자기장을 생성합니다.이 구성을 홀수 패리티 회전 자기장이라고 합니다.이러한 자기장은 축대칭 평형 자기장에 작은 크기로 더하면 자기장 라인의 개방을 유발하지 않고 전체 위상이 [3]보존된다.축대칭 평형 자기장 라인을 열고 필드 위상을 근본적으로 변경하는 '홀수 패리티' 회전 자기장의 임계 임계값 크기가 다소 높습니다.[8] 따라서 RMF는 PFRC 코어에서 입자와 에너지를 운반하는 데 기여하지 않을 것으로 예상됩니다.

낮은 s-모수

주요 기사:필드 반전 설정 † 단일 입자 궤도

FRC에서는 자기 눌과 분리기 사이의 거리 비율과 열이온 라모르 반지름에 s-파라미터라는 이름을 붙인다.그것이 FRC의 핵심과 그것이 벌크 [2]플라즈마와 만나는 곳 사이에 얼마나 많은 이온 궤도가 들어갈 수 있는지를 나타냅니다.하이즈 FRC는 기계 크기에 비해 이온 자이로라디이(gyroradii)가 매우 작습니다.따라서 높은 s-파라미터에서는 자기유체역학(MHD) 모델이 적용된다.[9]MHD는 FRC가 'n=1 틸트 모드'로 불안정해 역방향 자기장이 인가된 자기장에 맞춰 180도 기울어져 FRC가 파괴된다고 예측한다.

저s FRC는 틸트 [9]모드에 대해 안정적일 것으로 예상된다.이 효과에는 2보다 작거나 같은 s-모수로 충분합니다.그러나 핫코어와 쿨 벌크 사이의 이온 반지름이 2개뿐이라는 것은 플라즈마 코어에서 뜨거운 핵융합 관련 이온을 제거하기에 평균적으로 두 개의 산란 주기(평균 90도의 속도 변화)만 충분하다는 것을 의미한다.따라서 고전적으로 잘 제한되지만 대류적으로 잘 제한되지 않는 높은 s-파라미터 이온과 고전적으로 덜 제한되지만 대류적으로 잘 제한되는 낮은 s-파라미터 이온 사이에서 선택할 수 있다.

PFRC의 s 파라미터는 1과 [2]2 사이입니다.틸트 모드를 안정화하면 감속에 더 도움이 될 것으로 예상되며, 적은 수의 허용 충돌은 감금을 해칠 수 있습니다.

우주선 추진

프린스턴 새틀라이트 시스템의 과학자들은 PFRC에 기반을 둔 Direct Fusion Drive (DFD; 다이렉트 퓨전 드라이브)라고 불리는 새로운 개념에 대해 연구하고 있다.그것은 하나의 소형 핵융합 원자로에서 전력과 추진력을 생산할 것이다.2017년 [10]최초의 개념 연구 및 모델링(Phase I)이 발표되었으며, 명왕성 궤도선과 [10][11]착륙선의 추진 시스템에 동력을 공급하기 위해 제안되었습니다.냉각된 플라즈마 흐름에 추진제를 추가하면 자기 노즐을 통해 채널링될 때 가변 추력이 발생합니다.모델링에 따르면 DFD는 생성된 핵융합 [12]전력의 각 메가와트당 5뉴톤의 추력을 생산할 수 있다.핵융합 전력의 약 35%는 추력, 30%는 전력, 25%는 열로 손실되며 10%는 무선 주파수([10]RF) 가열용으로 재순환됩니다.이 개념은 단계[12] II로 발전하여 설계와 차폐를 더욱 발전시켰습니다.

레퍼런스

  1. ^ Cohen, S. A.; Berlinger, B.; Brunkhorst, C.; Brooks, A.; Ferraro, N.; Lundberg, D. P.; Roach, A.; Glasser, A. H. (2007). "Formation of Collisionless High-β Plasmas by Odd-Parity Rotating Magnetic Fields". Physical Review Letters. 98 (14): 145002. Bibcode:2007PhRvL..98n5002C. doi:10.1103/physrevlett.98.145002. PMID 17501282.
  2. ^ a b c d Cohen, Samuel A. (June 4, 2008). "Field-reversed configuration: Community input to FESAC" (PDF). General Atomics Fusion Energy Research. General Atomics. Retrieved December 11, 2015.
  3. ^ a b c Cohen, S. A.; Milroy, R. D. (2000-06-01). "Maintaining the closed magnetic-field-line topology of a field-reversed configuration with the addition of static transverse magnetic fields". Physics of Plasmas. 7 (6): 2539–2545. Bibcode:2000PhPl....7.2539C. doi:10.1063/1.874094. ISSN 1070-664X.
  4. ^ Glasser, A. H.; Cohen, S. A. (2002-05-01). "Ion and electron acceleration in the field-reversed configuration with an odd-parity rotating magnetic field". Physics of Plasmas. 9 (5): 2093–2102. Bibcode:2002PhPl....9.2093G. doi:10.1063/1.1459456. ISSN 1070-664X.
  5. ^ Paluszek, Michael; Thomas, Stephanie (2019-02-01). "Direct Fusion Drive". Princeton Satellite Systems. Retrieved 2019-06-17.
  6. ^ a b Wall, Mike (2019-06-11). "Fusion-Powered Spacecraft Could Be Just a Decade Away". Space.com. Future US. Retrieved 2019-06-17.
  7. ^ Jones, Ieuan R. (1999-05-01). "A review of rotating magnetic field current drive and the operation of the rotamak as a field-reversed configuration (Rotamak-FRC) and a spherical tokamak (Rotamak-ST)". Physics of Plasmas. 6 (5): 1950–1957. Bibcode:1999PhPl....6.1950J. doi:10.1063/1.873452. ISSN 1070-664X.
  8. ^ Ahsan, T.; Cohen, S. A. (July 2022). "An analytical approach to evaluating magnetic-field closure and topological changes in FRC devices". Physics of Plasmas. 29 (7): 072507. doi:10.1063/5.0090163.
  9. ^ a b Barnes, Daniel C.; Schwarzmeier, James L.; Lewis, H. Ralph; Seyler, Charles E. (1986-08-01). "Kinetic tilting stability of field‐reversed configurations". Physics of Fluids. 29 (8): 2616–2629. Bibcode:1986PhFl...29.2616B. doi:10.1063/1.865503. ISSN 0031-9171.
  10. ^ a b c Thomas, Stephanie (2017). "Fusion-Enabled Pluto Orbiter and Lander – Phase I Final Report" (PDF). NASA Technical Reports Server. Princeton Satellite Systems. Retrieved 2019-06-14.
  11. ^ Hall, Loura (April 5, 2017). "Fusion-Enabled Pluto Orbiter and Lander". NASA. Retrieved July 14, 2018.
  12. ^ a b Thomas, Stephanie J.; Paluszek, Michael; Cohen, Samuel A.; Glasser, Alexander (2018). Nuclear and Future Flight Propulsion – Modeling the Thrust of the Direct Fusion Drive. 2018 Joint Propulsion Conference. Cincinnati, Ohio: American Institute of Aeronautics and Astronautics. doi:10.2514/6.2018-4769. Retrieved 2019-06-14.

외부 링크