Spheromak - Spheromak

Um spheromak é um arranjo de plasma formado em uma forma toroidal semelhante a um anel de fumaça . O spheromak contém grandes correntes elétricas internas e seus campos magnéticos associados dispostos de forma que as forças magneto - hidrodinâmicas dentro do spheromak estejam quase equilibradas, resultando em tempos de confinamento de longa duração ( microssegundos ) sem campos externos. Spheromaks pertencem a um tipo de configuração de plasma conhecido como toróides compactos .

A física do esferomaque e das colisões entre esferomaks é semelhante a uma variedade de eventos astrofísicos, como loops e filamentos coronais , jatos relativísticos e plasmóides . Eles são particularmente úteis para estudar eventos de reconexão magnética, quando dois ou mais esferomaks colidem. Spheromaks são fáceis de gerar usando uma "arma" que ejeta spheromaks da extremidade de um eletrodo em uma área de retenção, chamada de conservador de fluxo . Isso os tornou úteis no ambiente de laboratório, e as armas spheromak são relativamente comuns em laboratórios de astrofísica . Esses dispositivos são frequentemente, de maneira confusa, também chamados simplesmente de "esferomacos"; o termo tem dois significados.

Os esferomaks foram propostos como um conceito de energia de fusão magnética devido aos longos tempos de confinamento , que estavam na mesma ordem dos melhores tokamaks quando foram estudados pela primeira vez. Embora tenham tido alguns sucessos durante as décadas de 1970 e 1980, esses dispositivos pequenos e de baixa energia tinham desempenho limitado e a maioria das pesquisas de spheromak terminou quando o financiamento da fusão foi drasticamente reduzido no final dos anos 1980. No entanto, no final da década de 1990, a pesquisa demonstrou que os esferomaks mais quentes têm melhores tempos de confinamento, o que levou a uma segunda onda de máquinas esferomak. Spheromaks também foram usados ​​para injetar plasma em um experimento de confinamento magnético maior, como um tokamak .

Diferença com FRC

A diferença entre uma configuração de campo invertido e um Spheromak

A diferença entre uma configuração de campo invertido (FRC) e um spheromak é que um spheromak tem um campo toroidal interno, enquanto o plasma FRC não. Este campo pode ser executado no sentido horário ou anti-horário para a direção do plasma em rotação.

História

O spheromak passou por vários períodos distintos de investigação, com maiores esforços durante a década de 1980 e um ressurgimento na década de 2000.

Trabalho de base em astrofísica

Um conceito chave na compreensão do spheromak é a helicidade magnética , um valor que descreve a "torção" do campo magnético em um plasma.

O primeiro trabalho sobre esses conceitos foi desenvolvido por Hannes Alfvén em 1943, que lhe rendeu o Prêmio Nobel de Física de 1970 . Seu desenvolvimento do conceito de ondas de Alfvén explicou a dinâmica de longa duração do plasma, visto que as correntes elétricas que viajam dentro delas produziram campos magnéticos que, de forma semelhante a um dínamo , deram origem a novas correntes. Em 1950, Lundquist estudou experimentalmente as ondas de Alfvén no mercúrio e introduziu o número de Lundquist caracterizador , que descreve a condutividade do plasma. Em 1958, Lodewijk Woltjer , trabalhando em plasmas astrofísicos, observou que é conservado, o que implica que um campo tortuoso tentará manter sua torção mesmo com forças externas sendo aplicadas a ele.

A partir de 1959, Alfvén e uma equipe incluindo Lindberg, Mitlid e Jacobsen construíram um dispositivo para criar bolas de plasma para estudo. Este dispositivo era idêntico aos modernos dispositivos "injetores coaxiais" (veja abaixo) e os experimentadores ficaram surpresos ao encontrar uma série de comportamentos interessantes. Entre eles estava a criação de anéis estáveis ​​de plasma. Apesar de seus muitos sucessos, em 1964 os pesquisadores se voltaram para outras áreas e o conceito de injetor permaneceu adormecido por duas décadas.

Trabalho de fundo em fusão

Em 1951, começaram os esforços para produzir fusão controlada para produção de energia. Esses experimentos geralmente usavam algum tipo de energia pulsada para fornecer as grandes forças magnéticas exigidas nos experimentos. As magnitudes atuais e as forças resultantes eram sem precedentes. Em 1957, Harold Furth , Levine e Waniek relataram a dinâmica de grandes ímãs, demonstrando que o fator limitante no desempenho do ímã era físico; as tensões no ímã superariam seus próprios limites mecânicos. Eles propuseram enrolar esses ímãs de tal forma que as forças dentro dos enrolamentos do ímã cancelassem, a "condição livre de força". Embora não fosse conhecido na época, este é o mesmo campo magnético de um spheromak.

Em 1957, a máquina ZETA (reator de fusão) começou a operar no Reino Unido. O ZETA era, naquela época, de longe o maior e mais poderoso dispositivo de fusão do mundo. Ele operou até 1968, quando muitos dispositivos combinavam com seu tamanho. Durante a operação, a equipe experimental notou que, ocasionalmente, o plasma mantinha o confinamento por muito tempo após o término ostensivo da corrida experimental, embora isso não tenha sido estudado em profundidade. Anos mais tarde, em 1974, John Bryan Taylor caracterizou esses plasmas autoestáveis, que chamou de "quiescentes". Ele desenvolveu o conceito de equilíbrio de estado de Taylor , um estado de plasma que conserva a helicidade em seu estado de energia mais baixo possível. Isso levou a um re-despertar da pesquisa de toróides compactos .

Outra abordagem para a fusão era o conceito de pinch theta , que era semelhante ao z-pinch usado em ZETA em teoria, mas usava um arranjo diferente de correntes e campos. Enquanto trabalhava nessa máquina no início da década de 1960, projetada com uma área de aperto cônica, Bostick e Wells descobriram que a máquina às vezes criava anéis estáveis ​​de plasma. Seguiu-se uma série de máquinas para estudar o fenômeno. Uma medição de sonda magnética encontrou o perfil do campo magnético toroidal de um spheromak; o campo toroidal era zero no eixo, subia ao máximo em algum ponto interno e depois ia a zero na parede. No entanto, a pinça teta falhou em alcançar as condições de alta energia necessárias para a fusão, e a maioria dos trabalhos com a pinça teta terminou na década de 1970.

A idade de ouro

O conceito-chave na fusão é o equilíbrio de energia para qualquer máquina que funde um plasma quente.

Potência líquida = Eficiência * (Fusão - Perda de radiação - Perda de condução)

Isso forma a base do critério de Lawson . Para aumentar as taxas de fusão, a pesquisa se concentrou no "produto triplo", uma combinação da temperatura do plasma, densidade e tempo de confinamento. Dispositivos de fusão geralmente caem em duas classes, máquinas pulsadas como o z-pinch que tentam atingir altas densidades e temperaturas, mas apenas por microssegundos, enquanto conceitos de estado estacionário como o stellarator e o espelho magnético tentam atingir o critério de Lawson por meio de tempos de confinamento mais longos.

O trabalho de Taylor sugeriu que os plasmas autoestáveis ​​seriam uma maneira simples de abordar o problema ao longo do eixo do tempo de confinamento. Isso desencadeou uma nova rodada de desenvolvimentos teóricos. Em 1979, Rosenbluth e Bussac publicaram um artigo descrevendo generalizações do trabalho de Taylor, incluindo um estado de energia mínima esférica com campo toroidal zero na superfície delimitadora. Isso significa que não há corrente acionada externamente no eixo do dispositivo e, portanto, não há bobinas de campo toroidal externas. Parece que essa abordagem permitiria reatores de fusão de design muito mais simples do que as abordagens stellarator e tokamak predominantes .

Vários dispositivos experimentais surgiram quase da noite para o dia. Wells reconheceu seus experimentos anteriores como exemplos desses plasmas. Ele havia se mudado para a Universidade de Miami e começado a obter financiamento para um dispositivo que combinava dois de seus sistemas teta-pinch cônicos anteriores, que se tornaram o Trisops . No Japão, a Universidade Nihon construiu o PS-1, que usava uma combinação de pinças teta e zeta para produzir esferomaks. Harold Furth ficou animado com a perspectiva de uma solução mais barata para a questão do confinamento e iniciou o S1 no Laboratório de Física de Plasma de Princeton , que usava aquecimento indutivo. Muitos desses primeiros experimentos foram resumidos por Furth em 1983.

Esses primeiros experimentos de MFE culminaram no Compact Torus Experiment (CTX) em Los Alamos . Este foi o maior e mais poderoso dispositivo da época, gerando esferomaks com correntes de superfície de 1 MA, temperaturas de 100 eV e betas de elétrons de pico acima de 20%. A CTX experimentou métodos para reintroduzir energia no spheromak totalmente formado para compensar as perdas na superfície. Apesar desses primeiros sucessos, no final da década de 1980, o tokamak havia ultrapassado os tempos de confinamento dos esferomaks em ordens de magnitude. Por exemplo, o JET estava atingindo tempos de confinamento da ordem de 1 segundo.

O principal evento que encerrou a maior parte do trabalho do spheromak não foi técnico; o financiamento de todo o programa de fusão dos EUA foi drasticamente reduzido no FY86, e muitas das "abordagens alternativas", que incluíam esferomaks, foram extintas. Os experimentos existentes nos EUA continuaram até que seu financiamento se esgotou, enquanto programas menores em outros lugares, notadamente no Japão e a nova máquina SPHEX no Reino Unido, continuaram de 1979-1997. O CTX obteve financiamento adicional do Departamento de Defesa e continuou os experimentos até 1990; o último corre temperaturas melhoradas para 400 eV e tempos de confinamento da ordem de 3 ms.

Astrofísica

No início da década de 1990, o trabalho do spheromak foi amplamente utilizado pela comunidade astrofísica para explicar vários eventos e o spheromak foi estudado como um complemento dos dispositivos MFE existentes.

DM Rust e A. Kumar foram particularmente ativos no uso de helicidade magnética e relaxamento para estudar as proeminências solares. Trabalho semelhante foi realizado no Caltech por Bellan e Hansen no Caltech , e o projeto Swarthmore Spheromak Experiment (SSX) no Swarthmore College .

Acessório de fusão

Alguns trabalhos de MFE continuaram durante este período, quase todos usando esferomacos como dispositivos acessórios para outros reatores. Caltech e INRS-EMT no Canadá usaram esferomaks acelerados como uma forma de reabastecer tokamaks. Outros estudaram o uso de esferomaks para injetar helicidade em tokamaks, eventualmente levando ao dispositivo Helicity Injected Spherical Torus (HIST) e conceitos semelhantes para uma série de dispositivos existentes.

Defesa

Hammer, Hartman et al. mostrou que spheromaks pode ser acelerada a velocidades extremamente elevadas, utilizando um railgun , o que levou a várias utilizações propostas. Entre eles estava o uso de plasmas como "balas" para disparar contra ogivas que se aproximavam, na esperança de que as correntes elétricas associadas interrompessem seus componentes eletrônicos. Isso levou a experimentos no sistema Shiva Star , embora tenham sido cancelados em meados da década de 1990.

Outros domínios

Outros usos propostos incluíram o disparo de esferomaks em alvos de metal para gerar intensos flashes de raios-X como uma fonte de luz de fundo para outros experimentos. No final da década de 1990, os conceitos de spheromak foram aplicados ao estudo da física fundamental do plasma, principalmente a reconexão magnética . As máquinas Dual-spheromak foram construídas na University of Tokyo , Princeton (MRX) e Swarthmore College .

Renascimento

Em 1994, T. Kenneth Fowler estava resumindo os resultados das corridas experimentais do CTX na década de 1980, quando percebeu que o tempo de confinamento era proporcional à temperatura do plasma. Isso foi inesperado; a lei do gás ideal geralmente afirma que temperaturas mais altas em uma determinada área de confinamento levam a maior densidade e pressão. Em dispositivos convencionais, como o tokamak, esse aumento de temperatura / pressão aumenta a turbulência que reduz drasticamente o tempo de confinamento. Se o spheromak melhorasse o confinamento com o aumento da temperatura, isso sugeria um novo caminho em direção a um reator esferomak de nível de ignição.

A promessa era tão grande que vários novos experimentos de MFE começaram a estudar essas questões. Notável entre eles é o Sustained Spheromak Physics Experiment (SSPX) no Lawrence Livermore National Laboratory , que estudou os problemas de geração de esferomaks de longa vida por meio de injeção eletrostática de helicidade adicional. Também digno de nota é o experimento de toro injetado com helicidade indutiva estável (HIT-SI) na Universidade de Washington liderado pelo Professor Thomas Jarboe. O sucesso de sustentar esferomaks com evidência de confinamento de pressão neste experimento motivou a criação de um novo conceito de reator de fusão baseado em esferomak denominado Dynomak, que foi projetado para ter um custo competitivo com as fontes de energia convencionais.

Teoria

Os vórtices de plasma livres de força têm helicidade magnética uniforme e, portanto, são estáveis ​​contra muitas interrupções. Normalmente, a corrente decai mais rápido nas regiões mais frias até que o gradiente em helicidade seja grande o suficiente para permitir uma redistribuição turbulenta da corrente.

Os vórtices livres de força seguem as seguintes equações.

A primeira equação descreve um fluido livre de força de Lorentz : as forças são zero em todos os lugares. Para um plasma de laboratório, α é uma constante e β é uma função escalar de coordenadas espaciais.

Note-se que, ao contrário da maioria das estruturas de plasma, a força de Lorentz e da força de Magnus , , desempenham papéis equivalentes. é a densidade de massa.

As superfícies de fluxo magnético do Spheromak são toroidais. A corrente é totalmente toroidal no núcleo e totalmente poloidal na superfície. Isso é semelhante à configuração de campo de um tokamak , exceto que as bobinas de produção de campo são mais simples e não penetram no toro do plasma.

Spheromaks estão sujeitos a forças externas, notadamente o gradiente térmico entre o plasma quente e seus arredores mais frios. Geralmente, isso leva a uma perda de energia na superfície externa do spheromak por meio da radiação do corpo negro , levando a um gradiente térmico no próprio spheromak. A corrente elétrica viaja mais devagar nas seções mais frias, eventualmente levando a uma redistribuição da energia interna, e a turbulência eventualmente destrói o spheromak.

Formação

Os esferomaks se formam naturalmente sob uma variedade de condições, permitindo que sejam gerados de várias maneiras.

O dispositivo moderno mais comum é a arma ou injetor Marshall. O dispositivo consiste em dois cilindros aninhados e fechados. O cilindro interno é mais curto, deixando um espaço vazio na parte inferior. Um eletroímã dentro do cilindro interno cria um campo inicial. O campo é semelhante ao de uma barra magnética , descendo verticalmente pelo centro do cilindro interno e subindo pela parte externa do aparelho. O ímã é posicionado de forma que a área onde o campo circula do centro para o exterior, onde as linhas de campo são aproximadamente horizontais, esteja alinhada com a parte inferior do cilindro interno.

Uma pequena quantidade de gás é introduzida na área entre os cilindros. Uma grande carga elétrica fornecida por um banco de capacitores aplicado através dos cilindros ioniza o gás. As correntes induzidas no plasma resultante interagem com o campo magnético original, gerando uma força de Lorentz que empurra o plasma para longe do cilindro interno, para a área vazia. Após um curto período, o plasma se estabiliza em um spheromak.

Outros dispositivos comuns incluem teta-pinch aberta ou cônica.

Uma vez que o confinamento magnético do spheromak é autogerado, nenhuma bobina magnética externa é necessária. No entanto, o spheromak experimenta a "perturbação de inclinação" que permite que ele gire dentro da área de confinamento. Isso pode ser resolvido com ímãs externos, mas mais frequentemente a área de confinamento é envolvida em um condutor (geralmente de cobre). Quando a borda do toro spheromak se aproxima da superfície condutora, uma corrente é induzida nele que, seguindo a lei de Lenz , reage para empurrar o spheromak de volta para o centro da câmara.

Também é possível obter o mesmo efeito com um único condutor descendo pelo centro da câmara, através do "orifício" no centro do esferomak. Como as correntes desse condutor são autogeradas, ele adiciona pouca complexidade ao projeto. No entanto, a estabilidade pode ser melhorada passando uma corrente externa no condutor central. À medida que a corrente aumenta, ela se aproxima das condições de um tokamak tradicional, mas em um tamanho muito menor e em uma forma mais simples. Essa evolução levou a uma pesquisa considerável sobre o tokamak esférico durante a década de 1990.

Veja também

Referências

Notas

Bibliografia

links externos