Сферические токамаки, сферомаки, FRC, RFP
Существует множество альтернативных классическим токамакам конфигураций магнитных ловушек для управляемого термоядерного синтеза. Про стеллараторы я недавно уже писала. Есть также куча разновидностей открытых магнитных ловушек, но тут я их касаться не буду. Этот пост будет посвящён нескольким вариантам осесимметричных ловушек, схожих друг с другом. Более серьёзное, нежели прочие, развитие из них получили т.н. «сферические токамаки».
Описание магнитных конфигураций
Сферические токамаки (крутые токамаки). Эта новая разновидность замкнутых магнитных ловушек появились относительно недавно. Принцип устройства такой. Если у тороидальной камеры, т.е. у «бублика», уменьшать внутреннее отверстие, и увеличивать вертикальные размеры, то он по форме будет приближаться к шару. От традиционных токамаков сферические отличаются только одной конструктивной особенностью - меньшим, не превышающим двойки аспектным отношением, т.е. соотношением большого и малого радиусов тора. Но эта особенность позволяет снизить, по сравнению с традиционными токамаками, магнитное давление, нужное для удержания и сохранения устойчивости плазменного шнура, приблизительно на порядок. В свою очередь, это дает возможность при сохранении основных плазмо-физических параметров в несколько раз уменьшить магнитную индукцию и стоимость установки. Эта особенность сферических токамаков делает их вполне перспективными. В настоящее время это наиболее разработанный вариант из четырёх описываемых.
Главной чертой оставшихся трёх вариантов является акцент на способности плазмы к самоорганизации.
Сферомаки - в отличие от сферических токамаков, у них нет внешних катушек для создания тороидального магнитного поля. Такое поле возникает во внутренней части удерживаемой плазмы за счёт текущих по ней токов, но спадает к поверхности. (Что касается терминологии, то иногда сферические токамаки также называют сферомаками). Дизайн сферомаков сравнительно прост, но в качестве устройств для термоядерного синтеза многообещающими они не считаются.
Пояснение: тороидальное магнитное поле - направленное по «бублику», а полоидальное - вдоль края «бублика», образующегося при его сломе. В токамаке магнитное поле представляет собой сумму тороидального и полоидального.
Field-reversed configuration (RFC, конфигурация с обращённым полем) - нигде не имеет тороидального поля, не говоря уж о катушках для его создания. Протекающий по плазме азимутальный ток обращает внутри плазменного эллипсоида направление приложенного внешнего магнитного поля. По центру, в отличие от сферических токамаков, никаких механических устройств нет. RFC обладает большим, по сравнению со сферомаками, «плазменным бета» (отношением давления плазмы к давлению магнитного поля). В совокупности со сферомаками такие установки также называют «компактными торами».
Reversed field pinch (RFP, пинч с обращённым полем (ПОП)) - осесимметричная тороидальная конфигурация, напоминающая токамак, но с иной пространственной зависимостью тороидального и полоидального магнитных полей. Вне плазмы направление тороидального поля противоположно его направлению внутри плазменного шнура, т.е. обращается. Кроме того, если в токамаке тороидальное поле гораздо сильнее полоидального, то в RFP они сравнимы. Эксперименты показали, что в плазме может спонтанно возникать обращённая конфигурация поля, и когда это происходит, плазма сильнее нагревается и проявляет повышенную устойчивость.
Схема: как в RFP идут линии поля (показаны чёрным цветом).
Сравнительные схемы
Конфигурации с обращённым полем, сферомаки и сферические токамаки.
Линии магнитного поля для конфигурации с обращённым полем, обычного токамака и сферического.
Осесимметричные конфигурации.
По осям: «плазменным бета», аспектное отношение A и запас устойчивости q.
Устройства
Сферические токамаки
Неполный список работающих, проектирумых и существовавших ранее (а также тех, чей статус не выяснен) сферических токамаков:
НазваниеРасположение, год запуска (годы работы)большой радиус в метрах, аспектное отношение
BATORMЕгипет, Каир0.06 (очень маленький), ?
CDX-U (Current Drive Experiment-Upgrade)США, Принстон, 1993-20040.3, 1.4
CPD (Compact Plasma wall interaction Device)Япония, Касуга
ETE (Experimento Tokamak Esfйrico)Бразилия0.3, 1.5
Глобус-МРоссия, Петербург, Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе РАН0.36, 1.5
HISTЯпония, Химедзи0.3, 1.3
HIT-IIСША
KTM (Kazakh Tokamak for Material studies)Казахстан0.9, 2
LATE (Low Aspect ratio Torus Experiment)Япония, Киото0.25, 1.25
LTX (Lithium Tokamak Experiment)США, Принстон0.4, 1.5
MAST (Mega Ampere Spherical Tokamak)Великобритания, Калэм0.85, 1.4
MEDUSA (Madison EDUcational Small Aspect ratio)США, Мэдисон0.12, 1.5
NSTX (National Spherical Torus Experiment)США, Принстон0.85, 1.4
PEGASUSСША, Мэдисон0.2-0.45, 1.1-1.2
Photo-SpheraИталия, Фраскатти
QUEST (Q-shu University Experiment with steady-state Spherical Tokamak)Япония, Касуга0.68, 1.7
RotamakАвстралия
STARTВеликобритания, Калэм, 1991-19980.3, 1.25
SUNIST (Sino UNIted Spherical Tokamak)Китай, Пекин0.3, 1.3
TS-3Япония
TST-2 (Tokyo Spherical Tokamak)Япония, Токио0.2, 1.4
ULART (Ultra Low Aspect Ratio Tokamak)?
START (Small Tight Aspect Ratio Tokamak) - сферический токамак, построенный в 1991 г. в британском научном центре в Калэме. По виду это довольно дешёвое устройство напоминало уже не бублик, а, скорее, бусину. Благодаря изменению формы удалось уменьшить нужное для удержания плазмы поле в десяток раз. Эксперимент завершился в 1998 г. После этого та команда, которая занималась START, начала работу над MAST.
Плазма в START.
Mega Ampere Spherical Tokamak (MAST) и National Spherical Torus Experiment (NSTX). Сравнительная схема двух крупнейших сферических токамаков мира.
MAST (Mega Ampere Spherical Tokamak).
Схема.
Плазма в MAST.
NSTX (National Spherical Torus Experiment). Находится в Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL).
Схема.
Сферический токамак Глобус-М. Сооружён в петербургском Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе РАН в 1999 г.
Множество фотографий этого токамака с комментариями можно увидеть в посте stanislav_mikov "Кто хочет заглянуть вглубь реактора? =)".
ETE (Experimento Tokamak Esférico) - бразильский сферический токамак средних размеров.
Сферомаки
SSPX (Sustained Spheromak Physics Experiment).
Схема.
Конфигурации с обращённым полем
Установка PFRC (Princeton Field-reversed Configuration). По ссылке - одно низкокачественное изображение.
Пинчи с обращённым полем
RFX (Reversed-Field eXperiment) - наиболее крупная установка. Находится в Падуе, Италия. Вид изнутри.
MST (Madison Symmetric Torus).
_______________
Разные ссылки
1. General framework of the research on compact tori
2. Table of spherical tokamaks
3. Spherical tokamak development in Brazil
4. FRC Introduction
Описание магнитных конфигураций
Сферические токамаки (крутые токамаки). Эта новая разновидность замкнутых магнитных ловушек появились относительно недавно. Принцип устройства такой. Если у тороидальной камеры, т.е. у «бублика», уменьшать внутреннее отверстие, и увеличивать вертикальные размеры, то он по форме будет приближаться к шару. От традиционных токамаков сферические отличаются только одной конструктивной особенностью - меньшим, не превышающим двойки аспектным отношением, т.е. соотношением большого и малого радиусов тора. Но эта особенность позволяет снизить, по сравнению с традиционными токамаками, магнитное давление, нужное для удержания и сохранения устойчивости плазменного шнура, приблизительно на порядок. В свою очередь, это дает возможность при сохранении основных плазмо-физических параметров в несколько раз уменьшить магнитную индукцию и стоимость установки. Эта особенность сферических токамаков делает их вполне перспективными. В настоящее время это наиболее разработанный вариант из четырёх описываемых.
Главной чертой оставшихся трёх вариантов является акцент на способности плазмы к самоорганизации.
Сферомаки - в отличие от сферических токамаков, у них нет внешних катушек для создания тороидального магнитного поля. Такое поле возникает во внутренней части удерживаемой плазмы за счёт текущих по ней токов, но спадает к поверхности. (Что касается терминологии, то иногда сферические токамаки также называют сферомаками). Дизайн сферомаков сравнительно прост, но в качестве устройств для термоядерного синтеза многообещающими они не считаются.
Пояснение: тороидальное магнитное поле - направленное по «бублику», а полоидальное - вдоль края «бублика», образующегося при его сломе. В токамаке магнитное поле представляет собой сумму тороидального и полоидального.
Field-reversed configuration (RFC, конфигурация с обращённым полем) - нигде не имеет тороидального поля, не говоря уж о катушках для его создания. Протекающий по плазме азимутальный ток обращает внутри плазменного эллипсоида направление приложенного внешнего магнитного поля. По центру, в отличие от сферических токамаков, никаких механических устройств нет. RFC обладает большим, по сравнению со сферомаками, «плазменным бета» (отношением давления плазмы к давлению магнитного поля). В совокупности со сферомаками такие установки также называют «компактными торами».
Reversed field pinch (RFP, пинч с обращённым полем (ПОП)) - осесимметричная тороидальная конфигурация, напоминающая токамак, но с иной пространственной зависимостью тороидального и полоидального магнитных полей. Вне плазмы направление тороидального поля противоположно его направлению внутри плазменного шнура, т.е. обращается. Кроме того, если в токамаке тороидальное поле гораздо сильнее полоидального, то в RFP они сравнимы. Эксперименты показали, что в плазме может спонтанно возникать обращённая конфигурация поля, и когда это происходит, плазма сильнее нагревается и проявляет повышенную устойчивость.
Схема: как в RFP идут линии поля (показаны чёрным цветом).
Сравнительные схемы
Конфигурации с обращённым полем, сферомаки и сферические токамаки.
Линии магнитного поля для конфигурации с обращённым полем, обычного токамака и сферического.
Осесимметричные конфигурации.
По осям: «плазменным бета», аспектное отношение A и запас устойчивости q.
Устройства
Сферические токамаки
Неполный список работающих, проектирумых и существовавших ранее (а также тех, чей статус не выяснен) сферических токамаков:
НазваниеРасположение, год запуска (годы работы)большой радиус в метрах, аспектное отношение
BATORMЕгипет, Каир0.06 (очень маленький), ?
CDX-U (Current Drive Experiment-Upgrade)США, Принстон, 1993-20040.3, 1.4
CPD (Compact Plasma wall interaction Device)Япония, Касуга
ETE (Experimento Tokamak Esfйrico)Бразилия0.3, 1.5
Глобус-МРоссия, Петербург, Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе РАН0.36, 1.5
HISTЯпония, Химедзи0.3, 1.3
HIT-IIСША
KTM (Kazakh Tokamak for Material studies)Казахстан0.9, 2
LATE (Low Aspect ratio Torus Experiment)Япония, Киото0.25, 1.25
LTX (Lithium Tokamak Experiment)США, Принстон0.4, 1.5
MAST (Mega Ampere Spherical Tokamak)Великобритания, Калэм0.85, 1.4
MEDUSA (Madison EDUcational Small Aspect ratio)США, Мэдисон0.12, 1.5
NSTX (National Spherical Torus Experiment)США, Принстон0.85, 1.4
PEGASUSСША, Мэдисон0.2-0.45, 1.1-1.2
Photo-SpheraИталия, Фраскатти
QUEST (Q-shu University Experiment with steady-state Spherical Tokamak)Япония, Касуга0.68, 1.7
RotamakАвстралия
STARTВеликобритания, Калэм, 1991-19980.3, 1.25
SUNIST (Sino UNIted Spherical Tokamak)Китай, Пекин0.3, 1.3
TS-3Япония
TST-2 (Tokyo Spherical Tokamak)Япония, Токио0.2, 1.4
ULART (Ultra Low Aspect Ratio Tokamak)?
START (Small Tight Aspect Ratio Tokamak) - сферический токамак, построенный в 1991 г. в британском научном центре в Калэме. По виду это довольно дешёвое устройство напоминало уже не бублик, а, скорее, бусину. Благодаря изменению формы удалось уменьшить нужное для удержания плазмы поле в десяток раз. Эксперимент завершился в 1998 г. После этого та команда, которая занималась START, начала работу над MAST.
Плазма в START.
Mega Ampere Spherical Tokamak (MAST) и National Spherical Torus Experiment (NSTX). Сравнительная схема двух крупнейших сферических токамаков мира.
MAST (Mega Ampere Spherical Tokamak).
Схема.
Плазма в MAST.
NSTX (National Spherical Torus Experiment). Находится в Princeton Plasma Physics Laboratory (PPPL).
Схема.
Сферический токамак Глобус-М. Сооружён в петербургском Физико-техническом институте им. А.Ф. Иоффе РАН в 1999 г.
Множество фотографий этого токамака с комментариями можно увидеть в посте stanislav_mikov "Кто хочет заглянуть вглубь реактора? =)".
ETE (Experimento Tokamak Esférico) - бразильский сферический токамак средних размеров.
Сферомаки
SSPX (Sustained Spheromak Physics Experiment).
Схема.
Конфигурации с обращённым полем
Установка PFRC (Princeton Field-reversed Configuration). По ссылке - одно низкокачественное изображение.
Пинчи с обращённым полем
RFX (Reversed-Field eXperiment) - наиболее крупная установка. Находится в Падуе, Италия. Вид изнутри.
MST (Madison Symmetric Torus).
_______________
Разные ссылки
1. General framework of the research on compact tori
2. Table of spherical tokamaks
3. Spherical tokamak development in Brazil
4. FRC Introduction