자기 거울
Magnetic mirrorA magnetic mirror, known as a magnetic trap (магнитный захват) in Russia and briefly as a pyrotron in the US, is a type of magnetic confinement device used in fusion power to trap high temperature plasma using magnetic fields.거울은 스텔라레이터와 z핀치 기계와 함께 핵융합 동력에 대한 최초의 주요 접근법 중 하나였다.
고전적인 자기거울에서는 전자석의 구성을 이용하여 구속영역의 양 끝에 자기장선의 밀도가 증가하는 영역을 형성한다.끝단에 접근하는 입자는 결국 반대 방향을 일으켜 감금 [1]영역으로 되돌아가는 힘을 경험합니다.이 미러 효과는 제한된 속도 및 접근 각도 범위 내의 입자에 대해서만 발생하며, 한계를 벗어난 입자는 탈출하여 본질적으로 미러를 "누출" 상태로 만듭니다.
에드워드 텔러의 초기 핵융합 소자 분석은 기본적인 거울 개념이 본질적으로 불안정하다고 지적했다.1960년 소련 연구진은 이를 해결하기 위해 새로운 "최소 B" 구성을 도입했으며, 영국 연구진은 이를 "야구 코일"로, 미국은 "음양 자석" 레이아웃으로 수정했다.이러한 각 도입으로 인해 성능이 더욱 향상되어 다양한 불안정성이 제거되었지만 더욱 큰 자석 시스템이 요구되었습니다.미국과 러시아에서 거의 동시에 개발된 탠덤 미러 컨셉은 거대한 자석과 전력 투입 없이 에너지 양극 기계를 만들 수 있는 방법을 제공했습니다.
1970년대 후반까지, 많은 설계 문제가 해결된 것으로 간주되었고, 로렌스 리버모어 연구소는 이러한 개념에 기초한 미러 퓨전 테스트 설비(MFTF)의 설계를 시작했습니다.이 기계는 1986년에 완성되었지만, 이 무렵에는 작은 탠덤 미러 실험의 실험으로 새로운 문제가 밝혀졌다.예산 삭감으로, MFTF는 보류되었고, 결국 폐기되었다.울프 토러스라고 불리는 핵융합로의 개념은 링에 연결된 일련의 자기 거울을 사용했다.1986년까지 [2]오크리지 국립연구소에서 연구되었다.거울에 비친 접근법은 이후 토카막 쪽으로 발전하지 않았지만, 일본과 러시아 [3]같은 나라에서는 거울 연구가 계속되고 있다.
역사
초기 작업
마그네틱 미러 플라즈마 구속의 개념은 1950년대 초에 러시아 쿠르차토프 연구소의 거쉬[4] 부더커와 리처드 F에 의해 독립적으로 제안되었다. 미국 [5]로렌스 리버모어 국립연구소에 투고.
1951년 프로젝트 셔우드의 설립과 함께, 포스트는 거울의 구성을 테스트하기 위한 작은 장치의 개발을 시작했다.이것은 외부 둘레에 자석이 있는 선형 파이렉스 튜브로 구성되었다.자석은 튜브의 길이를 따라 균등하게 간격을 둔 작은 자석 세트와 양 끝에 훨씬 더 큰 자석 한 쌍 두 세트로 배열되었다.1952년에 그들은 끝의 거울 자석이 켜졌을 때 튜브 내의 플라즈마가 훨씬 더 오래 갇혀 있다는 것을 증명할 수 있었다.당시 그는 이 장치를 "파이로트론"이라고 불렀지만, 이 이름은 유행하지 않았다.
불안정성
1954년 핵융합에 관한 유명한 강연에서, 에드워드 텔러는 볼록 자기장 선이 있는 모든 장치는 불안정할 것이며, 이것은 오늘날 플루트 [6]불안정이라고 알려져 있는 문제라고 언급했다.거울은 정확히 그러한 구성을 가지고 있습니다. 자기장은 자기장 강도가 [a]증가한 끝부분에서 볼록한 부분이 많습니다.이는 포스트의 심각한 우려로 이어졌지만 이후 1년 동안 그의 팀은 이러한 문제의 징후를 찾을 수 없었다.1955년 10월, 그는 "미러 기계의 경우 적어도 이러한 계산이 상세하게 적용되지 않는다는 것이 명백해지고 있다."[7]
러시아에서는 1959년 러시아 노보시비르스크에 있는 부드커 핵물리학 연구소에 최초의 소형 거울(프로브코트론)이 세워졌다.그들은 텔러가 경고한 문제를 즉시 알아차렸다.포스트 산하 미국 팀은 이러한 문제에 대한 어떠한 증거도 부족했기 때문에, 이것은 미스터리로 이어졌다.1960년, 포스트와 마셜 로젠블루스는 "안정성이 제한된 혈장의 존재에 대한 증거를 제공...가장 간단한 자기 이론이 [8]불안정성을 예측하는 곳이죠."
1961년 솔츠베르크에서 열린 플라즈마 물리학 회의에서 소련 대표단은 불안정성을 보여주는 상당한 자료를 제시했지만, 미국 팀은 여전히 아무것도 보여주지 않았다.Lev Artsimovich의 즉석 질문으로 문제가 해결되었다. 미국 기계에서 계측기로 제작되는 차트가 사용 중인 검출기의 출력 지연에 대해 잘 알려진 지연에 대해 조정되었는지를 물었을 때, 명백한 1ms 안정성이 측정에서 [9]사실상 1ms 지연이라는 것이 갑자기 명확해졌다.아르시모비치는 심지어 "우리는 이제 단순한 자기 거울 [10]기하학 내에 뜨거운 이온을 가진 플라즈마가 길고 안정적으로 갇혀 있다는 것을 보여주는 하나의 실험 사실을 가지고 있지 않다"고 주장하기까지 했다.
새로운 지오메모리
잠재적 불안정성의 문제는 한동안 현장에서 검토되어 왔으며, 여러 가지 가능한 해결책이 소개되었다.이것들은 일반적으로 자기장의 모양을 변화시킴으로써 작동했고, 그래서 그것은 모든 곳에 오목하게 만들어졌고, 소위 "최소 B"[10] 구성이라고 불립니다.
같은 1961년 회의에서 미하일 이오페는 최소 B 실험의 데이터를 소개했다.그의 설계에서는 일반적인 거울 내부에 일련의 6개의 추가 통전 바를 사용하여 플라즈마를 꼬인 나비 넥타이 모양으로 구부려 최소 B 구성을 만들었습니다.그들은 이것이 감금 시간을 밀리초 정도로 크게 향상시켰다는 것을 증명했다.오늘날 이러한 배치는 "Ioffe bars"[10]로 알려져 있습니다.
Culham Centre for Fusion Energy의 한 그룹은 Ioffe의 배열이 테니스 공에 있는 이음새와 유사한 하나의 새로운 배열로 결합됨으로써 개선될 수 있다고 언급했다.이 개념은 야구공을 꿰맨 후에 이름이 바뀐 미국에서 채택되었습니다.이러한 "야구 코일"은 원자로의 내부 볼륨을 열어두고 진단 기구에 쉽게 접근할 수 있다는 큰 이점을 가지고 있었다.단점으로는 플라즈마 부피 대비 자석의 크기가 불편하고 매우 강력한 자석이 필요했습니다.나중에 Post는 "음양 코일"이라는 추가적인 개선점을 소개했는데, 이 코일은 두 개의 C자형 자석을 사용하여 동일한 필드 구성을 생성했지만 부피는 더 작았습니다.
미국에서는 핵융합 프로그램에 대한 큰 변화가 진행되고 있었다.로버트 허쉬와 그의 조수 스티븐 O. 딘은 소련의 토카막스에서 볼 수 있는 엄청난 성능 향상에 흥분했고, 이는 전력 생산이 이제 진짜 가능성이 있음을 시사했다.허쉬는 그가 일련의 비협조적인 과학 실험이라고 조롱했던 프로그램을 궁극적으로 수익률에 도달하기 위한 계획된 노력으로 바꾸기 시작했다.이 변화의 일환으로, 그는 현재의 시스템이 실질적인 진전을 보여주지 않으면 취소될 것이라고 요구하기 시작했다.울퉁불퉁한 토러스, 레빗론, 천문학자들은 모두 버림받았고,[11] 싸움이 없었다.
딘은 리버모어 팀을 만나 천문학이 절단될 가능성이 높고 거울도 개선되거나 절단면을 향해야 한다는 점을 분명히 했다. 이는 연구실을 큰 핵융합 프로젝트 없이 남겨두었을 것이다.1972년 12월, Dean은 미러 팀과 만나 일련의 요구를 했습니다.그들의 시스템은 2X의 현재 최고 수치와 비교하여 10의12 nT 값을 입증해야 합니다.8x10의9 II.이것이 불가능할 것이라는 연구자들의 상당한 우려 끝에 [11]딘은 1975년 말까지 10개의 실험으로11 물러났다.
DCLC
단, 2배Ⅱ는 딘의 요구 수준에는 전혀 미치지 못했지만, 음양 배열이 작동 가능하고 이전의 거울에서 볼 수 있는 주요 불안정성을 억제하는 데 매우 성공적이었다.그러나 1973년까지 실험이 계속되면서 결과는 기대만큼 나아지지 않았다.딘의 상태에 도달하기 위해 온도를 빠르게 높이기 위해 중성 빔 주입을 추가함으로써 성능을 대폭 강화하려는 계획이 나왔습니다.그 결과 2XIIB, 즉 "빔"[12]을 뜻하는 B가 되었습니다.
2배IIB가 설치되고 있던 1974년 11월, Fowler는 Ioffe로부터 오실로스코프 트레이스의 일련의 사진이 포함된 서신을 받았습니다.다른 설명은 없었습니다.Fowler는 실행 중에 따뜻한 혈장을 주입하면 감금 상태가 개선된다는 것을 증명했습니다.이는 " 드리프트 사이클로트론 손실 원뿔"[13] 또는 DCLC로 알려진 지금까지 보이지 않았던 불안정성에 의해 오랫동안 예상된 것으로 보인다.Ioffe의 사진들은 DCLC가 소련 원자로에서 관찰되고 있었고 그것을 [14]안정시키기 위해 따뜻한 플라즈마가 보였다는 것을 보여주었다.
2XIIB 원자로는 1975년에 실제 실험을 시작했고, 즉시 상당한 DCLC가 발견되었다.짜증스럽게도, 진공 청소와 내부 청소가 더 잘 되어 운전 조건이 개선되면서 효과가 더 강해졌다.Fowler는 퍼포먼스가 Ioffe의 사진과 동일하다는 것을 인식하고, 2배의 퍼포먼스를 실현했습니다.IIB는 실행 중앙에서 따뜻한 혈장을 주입하도록 수정되었습니다.결과가 나왔을 때, 그들은 "햇빛이 구름을 뚫고 있었고 모든 [15]것이 괜찮을 가능성이 있었다"고 묘사되었다.
Q 확장 및 탠덤 미러
1975년 7월, 2X는IIB 팀은 nT의 결과를10 7x10으로 제시했는데, 이는 2x10보다 훨씬 나은 수치이다.딘의 [15]요구 사항에 충분히 근접해 있습니다.이때 Princeton Large Torus는 온라인에 접속하여 기록을 세웠고, Hirsch는 1980년대 초반에는 더 큰 기계를 위한 계획을 수립하여 손익분기(Q=1)를 달성하고자 했습니다.이것은 Tokamak Fusion Test Reactor(TFTR; 토카막 핵융합 시험로)로 알려지게 되었는데, 그 목표는 중수소 연료로 작동하여 Q=1에 도달하는 것이며, 미래의 기계는 Q>[16]10이 될 것이다.
2XIIB에 대한 최신 결과를 통해 음양 디자인을 크게 하면 성능도 향상되는 것으로 나타났습니다.그러나 계산 결과 Q=0.03에 도달하는 것으로 나타났습니다.이론상 허용되는 절대 하한에서 누출이 발생한 가장 발전된 기본 개념 버전도 Q=1.2에 도달할 수 있었다.이로 인해 이러한 설계는 전력 생산에 거의 무용지물이 되었고, Hirsch는 프로그램이 계속된다면 이를 개선할 것을 요구했다.이 문제는 'Q-enhancement'[16]라고 불리게 되었습니다.
1976년 3월, 리버모어 팀은 독일에서 열린 1976년 10월 국제 핵융합 회의에서 Q-enhancement를 주제로 작업 그룹을 조직하기로 결정했다.7월 4일 주말, 파울러와 포스트는 더 낮은 자기 압력으로 많은 양의 핵융합 연료를 유지하는 큰 챔버의 양 끝에 있는 두 개의 거울로 구성된 시스템인 탠덤 미러의 아이디어를 생각해냈다.그들은 월요일 LLNL로 돌아와 이 아이디어가 직원 물리학자 그랜트 로건에 의해 독립적으로 개발되었다는 것을 발견했다.그들은 정확히 같은 [17]해결책을 제안하는 소련 연구원을 찾기 위해 이러한 아이디어의 더 발전된 버전을 독일로 가져왔다.
회의에서 돌아온 후 딘은 팀을 만나 야구 II 시스템을 폐쇄하고 자금 지원을 탠덤 미러 프로젝트로 돌리기로 결정했다.이것은 Tamendum Mirror Experiment(TMX; [18]탠덤 미러 실험)로 등장했습니다.최종 디자인은 1977년 1월에 제출되어 승인되었다.당시 리버모어에서 가장 큰 실험이었던 건설은 1978년 10월까지 완료되었다.1979년 7월까지 TMX가 [19]예상대로 작동하고 있다는 것이 실험으로 입증되었습니다.
보온 장벽 및 MFTF
탠덤 미러 개념이 등장하기 전부터 에너지부는 미러 퓨전 테스트 설비(MFTF)로 알려진 훨씬 더 큰 미러 건설에 자금을 지원하기로 합의했습니다.당시 MFTF의 계획은 누구나 만들 수 있는 가장 큰 음양 자석이 되는 것이었다.TMX 컨셉의 성공으로 디자인은 MFTF-B로 수정되었으며, 거대한 탠덤 구성으로 누구나 만들 수 있는 가장 큰 음양 자석 두 개를 사용했습니다.목표는 Q=5에 도달하는 것이었습니다.1978년 후반 TMX의 스케일업 단계를 실제로 검토하기 시작한 시점까지 TMX는 단순히 필요한 목표를 [20]달성하지 못할 것이 분명했습니다.1979년 1월, 파울러는 약간의 개선이 [21]필요하다고 말하며 작업을 중단했다.
TMX에 대한 실험을 하는 동안, 1950년대에 Lyman Spitzer에 의해 도입된 법칙이 지켜지지 않는다는 것이 모두가 놀랄 만한 사실이었다; 적어도 TMX에서는, 단일 자기 선상의 전자가 매우 다양한 속도로 존재한다는 것이 발견되었는데, 이것은 전혀 예상치 못한 일이었다.John Clauser의 추가 연구는 DCLC를 억제하는 데 사용되는 온혈장 주입 때문이라는 것을 입증했다.로건은 이 결과를 가지고 플라즈마를 제한하는 완전히 새로운 방법을 생각해내기 위해 그것들을 사용했습니다; 이 전자들의 조심스러운 배열로, 사람들은 양으로 대전된 이온들을 끌어당길 수 있는 많은 수의 "냉각된" 전자들로 이루어진 영역을 만들 수 있었습니다.그런 다음 Dave Baldwin은 중성 빔을 통해 이를 개선할 수 있음을 입증했습니다.파울러는 이러한 지역에서 뜨거운 연료가 배출되었기 때문에 그 결과를 "열 장벽"이라고 불렀다.순수한 TMX [22]개념보다 훨씬 적은 에너지를 사용하여 가둬둘 수 있는 것으로 나타났습니다.
이 결과는 MFTF가 단순히 임의의 Q=5를 충족시키는 것이 아니라 훨씬 더 높은 Q 값을 약속하는 Tokamaks에 대한 실질적인 경쟁자가 될 것임을 시사했다.파울러는 열 장벽 개념을 기반으로 여전히 MFTF-B라고 불리는 또 다른 버전의 MFTF의 설계를 시작했습니다.이 연구소는 TFTR과 비슷한 시기에 경쟁적인 기계를 내놓기 위해 이 개념이 효과가 있었다는 실험적인 증거가 없는 상태에서 건설을 시작해야 한다고 결정했습니다.이 거대한 기계를 만드는 동안 [23]TMX는 컨셉을 테스트하기 위해 수정되었습니다.
1980년 1월 28일 파울러와 그의 팀은 그들의 결과를 DOE에 제출했다.TMX가 작동했음을 증명하고 소련의 추가 데이터 및 컴퓨터 시뮬레이션으로 무장하여 2억2천600만달러의 MFTF를 구축하기 위한 계획을 제시하였으며, TMX를 업그레이드하여 1,400만달러의 TMX-U에 보온장벽을 추가하였습니다.이 제안은 받아들여졌고, TMX는 종료되었습니다.1980년 9월 전환.[24]
TMX-U에 장애가 발생하여 MFTF가 할당됩니다.
TMX-U는 1982년 7월에 실험을 시작했고, 이때쯤에는 보잉 747 크기의 MFTF의 일부가 빌딩 431에 [25]설치되었다.그러나 MFTF에 필요한 값으로 플라즈마 밀도를 올리려고 시도했더니 중앙 탱크에서 빠져나온 플라즈마가 열 장벽을 압도하는 것으로 나타났습니다.같은 일이 MFTF에서 일어나지 않을 것이라고 믿을 명백한 이유가 없었다.TMX-U에서 볼 수 있는 레이트가 일반적인 경우 MFTF가 Q의 [26]목표에 원격으로 근접할 수 있는 방법은 없습니다.
이미 예산이 책정된 MFTF 건설은 계속되었고 시스템은 1986년 2월 21일 최종 3억7200만달러의 가격으로 공식적으로 완료되었다고 선언되었다.DOE의 새 국장인 John Clarke는 시스템 구축에 있어 그들의 공헌에 감사하는 한편,[27] 시스템을 운영할 자금이 없을 것이라고 발표했다.클라크는 나중에 프로젝트 취소 결정이 매우 어려웠다고 한탄했다. "[26]내가 지적할 기술적 실패가 있었다면 훨씬 더 쉬웠을 것이다."
운영 자금이 제공될 수 있다는 우연한 기회에 그것은 몇 년 동안 사용되지 않고 있었다.그것은 결코 그렇지 않았고, 그 기계는 결국 1987년에 폐기되었다.DOE는 또한 대부분의 다른 미러 프로그램에 대한 자금 [27]지원도 삭감했습니다.
1986년 이후
자기 거울 연구는 러시아에서 계속되었고, 한 가지 현대적인 예는 러시아 아카뎀고로드크에 있는 Budker 핵물리학 연구소에서 사용되는 실험적인 핵융합 기계인 가스 다이내믹 트랩이다.이 기계는 1KeV의 저온에서 5E-3초 동안 0.6 베타비를 달성했습니다.
이 개념에는 비맥스웰 속도 분포를 유지하는 것을 포함한 여러 가지 기술적 문제가 있었다.이것은 많은 고에너지 이온들이 서로 부딪치는 대신 이온 에너지가 종 곡선으로 퍼져 나간다는 것을 의미했다.그 후 이온이 열을 가해 대부분의 물질이 너무 차가워 융합할 수 없게 되었다.충돌은 또한 대전된 입자를 억제할 수 없을 정도로 흩어지게 했다.마지막으로 속도 공간의 불안정성이 플라즈마 [citation needed]탈출에 기여했습니다.
자기 미러는 Tokamaks와 같은 다른 유형의 자기 융합 에너지 장치에서 중요한 역할을 합니다. Tokamaks는 트로이덜 자기장이 선외기 측보다 선내측에서 더 강합니다.그 결과로 생기는 효과를 신고전주의라고 한다.자기 거울은 자연에서도 발생합니다.예를 들어, 자기권의 전자와 이온은 극의 더 강한 장 사이를 왔다 갔다 하며 반 앨런 방사 [citation needed]벨트로 이어집니다.
수학적 유도
거울 효과는 수학적으로 보여줄 수 있다.자기 모멘트의 단열 불변성, 즉 입자의 자기 모멘트와 총 에너지가 [28]변하지 않는다고 가정합니다.단열 불변성은 입자가 자기장이 [29]없는 영점 또는 영역을 점유할 때 사라집니다.자기 모멘트는 다음과 같이 나타낼 수 있습니다.
입자가 고밀도 자기장으로 이동하는 동안 μ는 일정하게 유지된다고 가정합니다.수학적으로 이를 실현하기 는 자기장 vδ(\}})에 수직인 속도도 상승해야 합니다.한편, E(\의 총 에너지는 다음과 같이 표현될 수 있습니다.
전계가 없는 영역에서는 총 에너지가 일정하게 유지되면 자기장과 평행한 속도가 저하되어야 합니다.만약 그것이 음이 될 수 있다면,[citation needed] 밀도가 높은 장에서 입자를 밀어내는 움직임이 있을 것이다.
미러비
자기 미러 자체의 미러비는 수학적으로 다음과 [30]같이 표현됩니다.
동시에 거울 속의 입자는 피치각을 가지고 있다.이것은 입자의 속도 벡터와 자기장 [31]벡터 사이의 각도입니다.놀랍게도, 작은 피치 각도의 입자들은 [32]거울을 벗어날 수 있다.이 입자들은 손실 원뿔 안에 있다고 한다.반사된 입자는 다음 [33]기준을 충족합니다.
서 v { \ v _ { \ } is 、v { \ v}는 자기장에 수직인 입자 입니다.
더 무겁고 빠른 입자 또는 더 적은 전하를 가진 입자는 반사하기가 더 어려울 것으로 예상되었기 때문에 이 결과는 놀라웠다.또한 자기장이 작을수록 더 적은 입자를 반사할 것으로 예상되었다.단, 이 경우 자이로라디우스도 크기 때문에 입자가 보는 자기장의 반경 성분도 커진다.입자가 빠르고 자기장이 약한 경우에는 최소 부피와 자기 에너지가 더 큰 것은 사실이지만, 필요한 미러비는 변하지 않는다.
단열 불변성
자기 미러의 특성은 자기장 강도의 변화 하에서 자속의 단열 불변성을 사용하여 도출할 수 있습니다.장이 강해질수록 속도는 B의 제곱근에 비례하여 증가하고 운동 에너지는 B에 비례합니다.이것은 [citation needed]입자와 결합하는 효과적인 전위라고 생각할 수 있다.
마그네틱 병
마그네틱 병은 서로 가까이 놓인 두 개의 마그네틱 미러입니다.예를 들어, 작은 거리에서 두 개의 병렬 코일이 동일한 방향으로 동일한 전류를 전달하면 두 코일 사이에 마그네틱 병이 생성됩니다.일반적으로 자기장 중앙을 둘러싼 많은 큰 전류 링을 가지고 있던 풀 미러 기계와 달리, 병에는 일반적으로 두 개의 전류 링만 있습니다.병의 양쪽 끝 부근에 있는 입자는 영역의 중심을 향해 자력을 경험합니다. 적절한 속도의 입자는 영역의 한쪽 끝에서 다른 쪽 끝까지 반복하여 나선형으로 회전합니다.마그네틱 병은 대전된 입자를 일시적으로 가두는 데 사용될 수 있습니다.전자는 [34]이온보다 훨씬 가볍기 때문에 전자를 가두는 것이 더 쉽다.이 기술은 핵융합 실험에서 플라즈마의 높은 에너지를 제한하기 위해 사용된다.
이와 비슷한 방법으로, 지구의 불균일한 자기장은 1958년 익스플로러 1 위성에 탑재된 기구로 얻은 데이터를 사용하여 발견된 지구 주변의 도넛 모양의 구역인 반 앨런 방사선 벨트에 태양으로부터 오는 하전 입자를 가둔다.
바이코닉 커프스
자석병 내의 극 중 하나가 반전되면 하전된 [35][36][37]입자를 고정할 수 있는 쌍원추가 됩니다.Biconic cusps는 Courant Institute의 Harold Grad에 의해 처음 연구되었으며, 연구는 Biconic cusp 내부에 다른 종류의 입자가 존재한다는 것을 보여줍니다.2007년부터 록히드마틴이 지원한 소형 핵융합로(Cusp Reactor)가 가장 잘 뒷받침되고 있다.[38]
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메모들
- ^ 이 볼록한 부분은 이 기사의 맨 위에 있는 도표에서 볼 수 있다.
레퍼런스
인용문
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