슈페로막

Spheromak
구형의 토카막과 혼동해서는 안 된다.
An model of a spheromak forming inside a chamber (far right)
챔버 내부에 형성되는 스페로막 모형(맨 오른쪽)

스피로막은 [1]연막과 유사한 트로이덜 형태로 형성된 플라즈마 배치입니다.스페로막은 큰 내부 전류와 그와 관련된 자기장을 포함하고 있으며, 스페로막 내의 자기유체역학적 힘이 거의 균형을 이루도록 배열되어 있어 외부장이 없는 긴 수명(마이크로초)의 구속 시간이 발생합니다.스피로막은 콤팩트 트로이드라고 불리는 플라즈마 구성에 속합니다.자속주입을 이용하여 스피로막을 만들고 유지할 수 있어 다이노막으로 [2]이어진다.

스피로막과 스피로막 간의 충돌의 물리학은 코로나 루프와 필라멘트, 상대론적 제트, 플라스모이드와 같은 다양한 천체물리학적 사건과 유사합니다.두 개 이상의 구면체가 충돌할 때 자기 재연결 이벤트를 연구하는 데 특히 유용합니다.스페로막은 전극의 끝에서 플럭스 컨저버라고 불리는 유지 영역으로 스페로막을 분출하는 "건"을 사용하여 생성하기 쉽습니다.이것은 그것들을 실험 환경에서 유용하게 만들었고, 스피로막 총은 천체 물리학 실험실에서 비교적 흔하다.이러한 디바이스는, 혼란스럽게 「스페로막」이라고도 불립니다.이 용어에는 두 가지 의미가 있습니다.

스피로막은 처음 연구되었을 때 최고의 토카막과 같은 순서로 긴 감금 시간 때문에 자기 핵융합 에너지 개념으로 제안되어 왔다.1970년대와 80년대에 일부 성공을 거뒀지만, 이러한 소형 및 저에너지 장치는 성능이 제한적이었고 1980년대 후반 핵융합 자금이 대폭 삭감되면서 대부분의 스페로막 연구가 종료되었습니다.그러나 1990년대 후반 연구에 따르면 스페로맥이 뜨거울수록 감금 시간이 더 좋았고, 이것이 제2의 스페로맥 기계로 이어졌다.스피로막은 또한 토카막과 [3]같은 더 큰 자기 구속 실험에 혈장을 주입하는 데 사용되었다.

FRC와의 차이점

필드 반전 설정과 스페로막의 차이

FRC(Field-Reversed Configuration)와 Spheromak의 차이점은 Speromak에는 내부 트로이덜 필드가 있지만 FRC 플라스마에는 없다는 것입니다.이 필드는 회전하는 플라즈마 [4]방향으로 시계 방향 또는 시계 반대 방향으로 이동할 수 있습니다.

역사

슈페로막은 1980년대에 가장 큰 노력을 기울인 후 2000년대에 다시 출현하는 등 몇 번의 조사를 거쳤다.

천체물리학의 배경 연구

스피로막의 이해에 있어 중요한 개념은 플라즈마 내 자기장의 "뒤틀림"을 나타내는 H(\ H인 자기 헬리시티입니다.

이러한 개념에 대한 최초의 연구는 1943년 [5]Hannes Alfvén에 의해 개발되었고, 이것은 그에게 1970년 노벨 물리학상을 안겨주었다.그의 알벤파 개념의 개발은 플라즈마 내에서 전류가 흐르는 전류가 발전기와 유사한 방식으로 새로운 전류를 발생시키는 자기장을 생성하면서 플라즈마의 오랜 시간 동안 지속된 역학을 설명했습니다.1950년, 룬드퀴스트는 수은의 알펜파를 실험적으로 연구했고 플라즈마의 전도성을 설명하는 특징적인 룬드퀴스트 수를 도입했다.1958년 천체물리학적 플라즈마를 연구하던 로데베이크 볼터Lodewijk Woltjer)는 H(디스플레이 스타일 H가 보존되어 있다는 을 언급했는데, 이는 비틀림장이 [6]외부의 힘이 가해져도 비틀림 현상을 유지하려고 할 것임을 암시한다.

1959년부터, Alfvén과 린드버그, Mitlid, 그리고 Jacobsen을 포함한 팀은 연구를 위한 플라즈마 공을 만드는 장치를 만들었다.이 장치는 현대의 "동축 주입기" 장치(아래 참조)와 동일했으며 실험자들은 여러 가지 흥미로운 동작을 발견하고 놀랐다.이것들 중에는 플라즈마 고리의 안정적인 생성도 있었다.많은 성공에도 불구하고 1964년 연구자들은 다른 분야로 눈을 돌렸고 주입기 개념은 20년 [7]동안 잠자고 있었다.

퓨전 백그라운드 작업

1951년 전력 생산을 위한 제어된 핵융합 생산 노력이 시작되었다.이 실험들은 일반적으로 실험에 필요한 큰 자기력을 전달하기 위해 일종의 펄스 전력을 사용했다.현재의 규모와 그에 따른 힘은 전례가 없었다.1957년 Harold Furth, Levine 및 Waniek는 대형 자석의 역학에 대해 보고하여 자석 성능의 한계 요인이 물리적이라는 것을 증명하였다. 자석의 응력은 그 자체의 기계적 한계를 극복할 것이다.그들은 자석 권선 내의 힘이 "힘이 없는 조건"으로 상쇄되도록 이러한 자석을 감을 것을 제안했습니다.당시에는 알려지지 않았지만, 이것은 스피로막과 [8]같은 자기장입니다.

1957년 영국에서 제타(ZETA) 기계가 가동되기 시작했다.제타는 당시 세계에서 가장 크고 강력한 핵융합 장치였다.1968년까지 운영되었으며, 그 때쯤에는 많은 장치들이 크기와 일치했습니다.수술 중에, 실험팀은 혈장이 표면적으로 실험 실행이 [9]끝난 후에도 오랫동안 감금 상태를 유지한다는 것을 알게 되었다. 그러나 그 후에는 깊이 연구되지 않았다.몇 년이 지난 1974년, 존 브라이언 테일러는 이러한 자기안정적인 플라즈마를 특징짓고, 이를 "퀴슨트"라고 불렀다.그는 가장 낮은 에너지 상태에서 헬리시티를 보존하는 플라즈마 상태인 테일러 상태 평형 개념을 개발했습니다.이것은 콤팩트 트로이드 [10]연구의 부활로 이어졌다.

융접에 대한 또 다른 접근법은 세타 핀치 개념으로, 이론적으로 ZETA에서 사용되는 z 핀치와 유사하지만 전류와 필드의 배열이 다릅니다.1960년대 초 원추형 핀치 영역이 있는 기계에서 작업할 때 Bostick과 Wells는 기계가 때때로 안정된 플라즈마 [11]고리를 만든다는 것을 발견했습니다.그 현상을 연구하기 위한 일련의 기계들이 뒤따랐다.한 자기 탐침 측정 결과 스피로막의 트로이덜 자기장 프로파일이 발견되었습니다. 트로이덜 자기장은 축에서 0이었고 내부 지점에서 최대값으로 상승한 다음 [10]벽에서 0이 되었습니다.그러나 세타핀치는 핵융합에 필요한 고에너지 조건에 도달하지 못했고, 세타핀치에 대한 대부분의 작업은 1970년대에 종료되었다.

황금시대

융합의 핵심 개념은 뜨거운 플라즈마를 융합하는 모든 기계의 에너지 균형입니다.

순 전력 = 효율성 * (융접 – 방사선 손실 – 전도 손실)

이것은 로슨 기준의 기초를 형성한다.핵융합 속도를 높이기 위해 연구는 플라즈마 온도, 밀도, 감금 시간을 [12]조합한 "트리플 제품"에 초점을 맞추고 있다.핵융합 장치는 일반적으로 두 가지 등급으로 분류되는데, z-pinch와 같은 펄스 기계는 높은 밀도와 온도에 도달하려고 시도했지만 마이크로초 동안만 시도했습니다. 반면 스텔라레이터와 자기 거울과 같은 정상 상태 개념은 더 긴 감금 시간을 통해 로슨 기준에 도달하려고 시도했습니다.

테일러의 연구는 자기 안정 플라스마가 구속 시간 축을 따라 문제에 접근하는 간단한 방법일 것이라는 것을 시사했다.이것은 새로운 이론적 발전을 불러일으켰다.1979년 로젠블루스와 부삭은 경계 표면에 [13]트로이덜 장이 0인 구형 최소 에너지 상태를 포함하여 테일러의 연구의 일반화를 설명하는 논문을 발표했다.즉, 장치 축에 외부 구동 전류가 없으므로 외부 트로이덜 필드 코일이 없습니다.이 접근방식은 우세한 스텔라레이터 및 토카막 접근방식보다 훨씬 단순한 설계의 핵융합로를 허용할 것으로 보인다.

거의 하룻밤 사이에 몇 가지 실험 장치가 등장했다.웰스는 그의 초기 실험을 이러한 플라즈마의 예로 인정했다.그는 마이애미 대학으로 이사하여 그의 초기 원추형 세타핀치 시스템 2개를 결합한 장치에 대한 자금을 모으기 시작했습니다. 이 장치는 트리솝스(Trisops)가 되었습니다.일본에서는 일본대학이 세타와 제타의 핀치를 조합해 스피로맥을 제작하는 PS-1을 만들었다.Harold Furth는 감금 문제에 대한 비용이 적게 드는 해결책의 전망에 흥분하여 Princeton Plasma Physical Laboratory에서 유도 가열법을 사용한 S1을 시작했습니다.이 초기 실험들 중 많은 것들이 [14]1983년 퍼스에 의해 요약되었다.

이러한 초기 MFE 실험은 Los Alamos의 Compact Torus Experiment(CTX; 콤팩트 토러스 실험)로 마무리되었습니다.이것은 표면 전류 1 MA, 온도 100 eV, 최대 전자의 [15]20%를 넘는 스피로맥을 생성하는 이 시대의 가장 크고 강력한 장치였다.CTX는 표면에서의 손실을 막기 위해 완전히 형성된 스피로막으로 에너지를 다시 도입하는 방법을 실험했다.이러한 초기 성공에도 불구하고, 1980년대 후반까지 토카막은 스피로막의 가둬진 시간을 훨씬 능가했다.예를 들어, JET는 1초 [16]정도의 제한 시간을 달성하고 있었습니다.

대부분의 스페로막 작업을 끝낸 주요 사건은 기술적인 것이 아니었다. 1986 회계연도에 미국의 핵융합 프로그램 전체에 대한 자금이 대폭 삭감되었고, 스페로막 작업을 포함한 많은 "대체 접근법"이 폐지되었다.미국의 기존 실험은 자금이 고갈될 때까지 계속되었으며, 다른 지역의 소규모 프로그램, 특히 일본의 프로그램 및 영국의 새로운 SPHEX 기계는 1979년부터 1997년까지[dubious – discuss] 계속되었다.CTX는 국방부로부터 추가 자금을 받아 1990년까지 실험을 계속했다. 마지막 실행은 온도를 400eV로 [17]개선했고 감금 시간은 약 [18]3ms였다.

천체 물리학

1990년대 초반까지 천체물리학 커뮤니티는 다양한 사건을 설명하기 위해 스페로막 작업을 널리 사용했으며, 스페로막은 기존 MPE 장치의 추가 기능으로 연구되었다.

D.M. Rust와 A.Kumar는 [19]태양발광을 연구하기 위해 자기 헬리시티와 이완을 사용하는 데 특히 적극적이었다.Caltech에서는 [20]Bellan과 Hansen에 의해 유사한 작업이 수행되었고 Swarthmore College에서는 SSX(Swarthmore Spheromak Experiment) 프로젝트가 수행되었습니다.

퓨전 액세서리

일부 MFE 작업은 이 기간 내내 계속되었으며, 거의 모든 작업은 다른 원자로의 부속 장치로 스피로맥을 사용했다.캐나다의 Caltech와 INRS-EMT는 모두 가속 스피로맥을 토카맥에 [21]연료를 공급하는 방법으로 사용했다.다른 연구진은 토카맥에 헬리시티를 주입하기 위해 스피로맥을 사용하는 것을 연구했고, 결국 헬리시티 주입 구형 토러스(HIST) 장치와 다수의 [22]기존 장치에 대한 유사한 개념으로 이어졌다.

디펜스

Hammer, Hartman et al.은 레일건을 사용하여 스피로맥을 매우 빠른 속도로 가속할 수 있다는 것을 보여주었고, 이로 인해 여러 가지 사용이 제안되었다.이들 중에는 관련 전류가 탄두의 전자장치를 교란시킬 수 있다는 희망으로 탄두를 향해 발사하기 위한 "탄두"와 같은 플라즈마를 사용하는 것도 있었다.이것은 [23][24]시바 스타 시스템에 대한 실험으로 이어졌지만 1990년대 중반에 취소되었다.

기타 도메인

다른 제안된 용도에는 금속 표적에 스피로맥을 발사하여 다른 [21]실험을 위한 역광원으로 강렬한 X선 섬광을 발생시키는 것이 포함되었다.1990년대 후반에 스페로막 개념은 기초 플라즈마 물리학, 특히 자기 [21]재연결 연구에 적용되었다.듀얼 스페로막 기계는 도쿄 대학, 프린스턴 대학(MRX) 및 스와스모어 칼리지에서 제작되었습니다.

부활

1994년 T. Kenneth Fowler는 1980년대 CTX의 실험 결과들을 요약하고 있었는데, 그는 가두는 시간이 혈장 [21]온도에 비례한다는 것을 알았다.이것은 예상하지 못한 일이었습니다. 이상적인 가스 법칙은 일반적으로 주어진 감금 구역의 온도가 높을수록 더 높은 밀도와 압력으로 이어진다고 말합니다.토카막과 같은 기존 장치에서는 온도/압력이 증가하면 난류가 증가하여 가두는 시간이 크게 단축됩니다.만약 스페로막의 온도가 상승하면서 구속이 개선되었다면, 이는 점화 레벨의 스페로막 [25][26]원자로로 가는 새로운 경로를 제시하였다.

그 약속은 너무 커서 몇몇 새로운 MFE 실험들이 이 문제들을 연구하기 시작했다.그 중 주목할 만한 것은 로렌스 리버모어 국립 연구소의 지속 스피로막 물리학 실험(SSPX)으로, 추가적인 헬리시성의 [27]정전 주입을 통한 장수명 스피로막 생성의 문제를 연구했다.또한 주목할 [28]만한 것은 토마스 자보 교수가 이끄는 워싱턴 대학의 꾸준한 유도성 주입 토러스 실험(HIT-SI)이다.이 실험에 대한 압력[29] 제한의 증거와 함께 스피로맥을 유지하는 것의 성공은 전통적인 [30]동력원과 비용 경쟁력이 있을 것으로 예상되는 다이노막이라 불리는 새로운 스피로맥 기반 핵융합로 개념을 만드는 데 동기를 부여했다.

이론.

무력 플라즈마 소용돌이는 균일한 자기 헬리시티를 가지므로 많은 교란에도 안정적입니다.일반적으로 [citation needed]전류는 헬리시티의 구배가 전류 재분배가 가능할 정도로 커질 때까지 추운 영역에서 빠르게 감소합니다.

완력 자유 소용돌이는 다음 방정식을 따릅니다.

첫 번째 방정식은 로런츠 힘이 없는 유체를 . × B {\ \ {B 힘은 어디에나 0입니다.실험실 혈장의 경우 α는 상수이고 β는 공간 좌표의 스칼라 함수이다.

대부분의 플라즈마 구조와는 달리 로렌츠 힘 및 마그누스 힘(δ × v {\ \은 동등한 역할을 합니다. \rho는 [citation needed]질량 밀도입니다.

스피로막 자속 표면은 트로이덜이다.전류는 코어에서는 완전히 트로이덜이고 표면에서는 완전히 폴로이드입니다.이것은[clarification needed] 토카막의 필드 구성과 유사하지만 필드 생성 코일이 더 단순하고 플라즈마 토러스를 [citation needed]관통하지 않는다는 점이 다릅니다.

스피로막은 외부력, 특히 뜨거운 플라즈마와 차가운 주변 환경 사이의 열 구배에 영향을 받습니다.일반적으로 이는 흑체 방사선을 통해 구상막의 외부 표면에서 에너지를 손실하여 구상막 자체의 열 구배를 초래한다.전류는 냉각된 부분에서 더 느리게 흐르며, 결국 내부 에너지의 재분배로 이어지고, 난류는 결국 스페로막을 [citation needed]파괴한다.

형성

스피로막은 다양한 조건에서 자연적으로 형성되며, 다양한 방법으로 [31]생성될 수 있습니다.

가장 일반적인 현대 장치는 [17]마샬 건 또는 인젝터입니다.장치는 두 개의 중첩된 닫힌 실린더로 구성됩니다.내부 실린더가 더 짧아져 [32]맨 아래에 빈 공간이 남습니다.내통 내부의 전자석은 초기장을 설정한다.전기장은 막대 자석과 비슷하며, 내부 실린더의 중심을 수직으로 아래로 향하고 장치 바깥쪽을 위로 향합니다.자석은 필드 선이 거의 수평인 중앙에서 외부로 필드가 루프되는 영역이 내부 실린더의 바닥과 정렬되도록 배치됩니다.

소량의 가스가 실린더 사이의 영역으로 유입됩니다.실린더 전체에 인가되는 콘덴서 뱅크에 의해 공급되는 큰 전하가 가스를 이온화한다.생성된 플라즈마에서 유도된 전류는 원래의 자기장과 상호작용하여 플라즈마를 내부 실린더에서 빈 영역으로 밀어내는 로렌츠 힘을 생성합니다.짧은 시간 후 혈장은 [33]구상막으로 안정화된다.

기타 일반적인 디바이스에는 오픈 엔드 또는 원뿔형 세타 핀치가 있습니다.

스피로막의 자기 구속은 자가 생성되므로 외부 자석 코일이 필요하지 않습니다.그러나 스피로막은 구속 영역 내에서 회전할 수 있는 "기울어진 섭동"을 경험합니다.이 문제는 외부 자석으로 해결할 수 있지만 구속 영역은 (일반적으로 구리) 도체로 감싼 경우가 많습니다.스피로막 토러스의 가장자리가 전도성 표면에 접근하면 렌즈의 법칙에 따라 반응하여 스피로막을 챔버 중앙으로 밀어내는 전류가 유도됩니다.

또한 단일 도체가 스페로막 [34]중앙의 "구멍"을 통해 챔버 중앙을 따라 내려가도 동일한 효과를 얻을 수 있습니다.이 도체의 전류는 자가 생성되므로 설계의 복잡성은 거의 없습니다.그러나 중심 도체에 외부 전류를 흘려 안정성을 더욱 향상시킬 수 있다.물살이 올라가면서 전통적인 토카막의 상태에 근접하지만 훨씬 작고 단순한 형태이다.이러한 진화는 1990년대에 구형 토카막의 상당한 연구로 이어졌다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

메모들

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참고 문헌

외부 링크