Úvod do termojaderné fúze Jan Mlynář 6. Otevřené systémy Magnetická zrcadla, žlábková nestabilita, minimum B, technická řešení minB, kotvy, koncové ztráty, zátky, tandem mirrors, FRC, GDT, multimirrors, z-pinč a q-pinč, plasma fokus. Úvod do termojaderné fúze 6: Otevřené systémy

Opakování Definice: Otevřené siločáry (mg. pole)... Siločáry, které se neuzavírají v plazmatu Uzavřené siločáry, uzavřené pole... Siločáry mg. pole se uzavírají v plazmatu, tj. částice mohou opustit plazma jedině pohybem napříč polem. Možné konfigurace magnetických nádob (pastí) (zhruba): Lineární Jednoduché! Fyzikálně i konstrukčně. Ale co s otevřenými konci? Toroidální složité (existuje křivost mg. pole), ale uzavřené. - axiálně symetrické: torusy (tokamaky, toroidální pinče... ) - nesymetrické (stelarátory) Úvod do termojaderné fúze 6: Otevřené systémy

Magnetická zrcadla I Nejjednodušší, a navíc apriori nevylučuje kontinuální provoz... Fyzika plazmatu: magnetický dipólový moment je adiabatický invariant, tj zachovává se pokud se pole mění pomaleji než 1/wc : Také se musí zachovávat energie částic:   od oblasti s vysokou intenzitou mg. pole se částice odrážejí Úvod do termojaderné fúze 6: Otevřené systémy

Magnetická zrcadla II Kde se bere síla, která částice odráží zpět do objemu s nižším polem? Tj. během pohybu částice se zachovává m a dochází k přelévání rychlosti mezi rovnoběžnou a kolmou složkou. pokud Bb > Bmax  částice není zrcadlem zachycena a prolétá skrz, tj pro únikový kužel  cvičení horní část (tail) Maxwellova rozdělení se vždy ztrácí  kinetické nestability ovšem nejprve je nutné překonat jinou, elementárnější MHD nestabilitu... Úvod do termojaderné fúze 6: Otevřené systémy

Žlábková nestabilita Interchange instability, flute instability (obdoba Rayleighovy-Taylorovy nestability) 1 ...jestliže se mohou prohodit dvě oblasti se stejným magnetickým tokem tak, že při tom dojde k uvolnění energie, pak se prohodí, tj systém je nestabilní. Např. pokud má oblast (1) větší objem a menší tlak. 2 Mechanismus prohození se vždy nějaký najde, jde jen o jeho rychlost. V plazmatu je žlábková nestabilita rychlá ! gradient tlaku + náhodné zakřivení povrchu  oddělení nábojů  ExB drift  prohloubení zakřivení. 1. gradient  j 2. perturbace povrchu  E 3. ExB drift  nestabilita grad B místo grad p : stejný efekt. Pokud jdou gradienty proti sobě, může být stabilní. Úvod do termojaderné fúze 6: Otevřené systémy

Minimum average B Co dělat proti žlábkové nestabilitě ? ... je třeba postavit uspořádání, kde hustota plazmatu roste směrem k nižšímu poli B (při konstantním toku musí vést zvětšení objemu ke zvětšení tlaku částic). Z částicového hlediska, drift zakřivení a gradB drift se musí odečítat. Jinými slovy, v centru plazmatu musí být minB - stačí v průměru podél siločáry. Technická řešení: Chce to konkávní pole ! Pokud se použije jen průměrné minimum pole, jsou potíže s vyššími mody, které lze ovšem ztlumit pomocí vodivé stěny a příp. velmi rychlou zpětnou vazbou. spindle cusp CUSP Ioffe bars ring cusp Úvod do termojaderné fúze 6: Otevřené systémy

Technická řešení min <B> baseball Ioffe bars yin-yang Fotka vpravo dole MFTF-B anchor, Livermore, 1986 uzavreno prave pred spustenim Úvod do termojaderné fúze 6: Otevřené systémy

MFTF Úvod do termojaderné fúze 6: Otevřené systémy Fotka vpravo dole MFTF-B anchor, Livermore, 1986 uzavreno prave pred spustenim Úvod do termojaderné fúze 6: Otevřené systémy

Technická řešení min <B> Fotka vpravo dole MFTF-B anchor, Livermore, 1986 uzavreno prave pred spustenim Úvod do termojaderné fúze 6: Otevřené systémy

Technická řešení min <B> Fotka vpravo dole MFTF-B anchor, Livermore, 1986 uzavreno prave pred spustenim Úvod do termojaderné fúze 6: Otevřené systémy

Zrcadla s MHD kotvami - anchors Zvětšení hlavního objemu: kombinace obyčejného zrcadla (+ solenoid udržující konstantní B) a konfigurací minB na obou koncích (průměr B přes celou siločáru má mít minimum v centru plazmatu). Na koncích se používá buď baseball, nebo cusp. Výhoda cusp – symetrické. Zato evidentní únik přes ring cusp. Lze omezit např. iontovým ohřevem („RF plugging“). Kotvy mohou být před, nebo i za cívkami zrcadla, případně být samy zároveň místem odrazu. Úvod do termojaderné fúze 6: Otevřené systémy

Koncové ztráty Jak konce „ucpat“ ?? Tj. jak odrážet rychlé částice? Kolmá složka rychlostí je Maxwellovská, rovnoběžné chybí v > vmax únikový kužel Tj opět energetická nerovnováha  Velocity-space instabilities Jde o kinetické, nikoli MHD nestability; jsou také rychlé a silné. V rámci MHD si je lze představit jako „odlišnost podélného a příčného tlaku“ Jak konce „ucpat“ ?? Tj. jak odrážet rychlé částice? Úvod do termojaderné fúze 6: Otevřené systémy

Koncové ztráty - plugs Myšlenka „Tepelné zátky“, thermal plugs: V zátkách musí být vysoká teplota (až 1 MeV) a dostatečná hustota  vznikne vysoké ambipolární napětí  rychlé částice tlačí zpět do hlavního objemu elektrostatické napětí. odraz iontů odraz elektronů elektrický potenciál magnetické pole z B,f Prakticky se používají srážky intenzivních svazků, někdy se doplňuje ohřevem ECRH aby se zvlášť řídila teplota elektronů a iontů  lepší elektrostatické pole Úvod do termojaderné fúze 6: Otevřené systémy

Tandem Mirrors Tandem mirrors, čili zrcadla používající zátky a kotvy (plugs and anchors), dosáhly docela dobrých výsledků – např. GAMMA10 hustotu 5.1018 m-3, teplotu 10 keV a dobu udržení 8 ms (doba pulsu 50 ms). Úvod do termojaderné fúze 6: Otevřené systémy

Jiný příklad tandem mirrors Úvod do termojaderné fúze 6: Otevřené systémy

Tandem mirrors - přehled Dnes (s výjimkou Novosibirska) jen malé experimenty zaměřené na základní výzkum: Epsilon (Moskva), Hanbit (Korea)... Úvod do termojaderné fúze 6: Otevřené systémy

Novosibirsk - Ambal Úvod do termojaderné fúze 6: Otevřené systémy

Novosibirsk - Ambal Úvod do termojaderné fúze 6: Otevřené systémy

Novosibirsk - Gas Dynamic Trap Horké plazma ve studeném – hodně srážek v bodech odrazu extrém: „wall confinement“, mg. pole jen stabilizuje, nevytváří tlak. Funguje jen pulzně. Úvod do termojaderné fúze 6: Otevřené systémy

Novosibirsk - Gas Dynamic Trap extrém: „wall confinement“, mg. pole jen stabilizuje, nevytváří tlak. Funguje jen pulzně. Úvod do termojaderné fúze 6: Otevřené systémy

Novosibirsk - GOL-3 Úvod do termojaderné fúze 6: Otevřené systémy

GOL-3 multimirror device Úvod do termojaderné fúze 6: Otevřené systémy

Výsledky (jejich slovy) Úvod do termojaderné fúze 6: Otevřené systémy

FRC: Field Reversed Configuration Myšlenka experimentu ASTRON: rychlé elektrony obrátí magnetický tok v centru plazmatu – dojde k uzavření konfigurace magnetického pole Představa reaktoru direct energy conversion formation section burning section direct energy conversion Úvod do termojaderné fúze 6: Otevřené systémy

FRC: Field Reversed Configuration FRC je vlastně uzavřený systém... ASTRON se nezdařil, ale FRC se podařilo pomocí vlečení proudu, nebo pomocí theta-pinče (bude) Příště uvidíme, že na FRC navazuje spheromak (ten má navíc i toroidální pole) Úvod do termojaderné fúze 6: Otevřené systémy

FRC - role svazků částic Beam-beam nabitých částic nefunguje (obrovská el. potenciální energie) Otevřené diskuse o beam-plasma nabitých částic v zrcadlech: představa reaktoru na p+B fúzi Neutrální svazky: Coulombické srážky x účinný průřez fúze Beam-plasma: zvyšuje hustotu fúzního výkonu (faktor až dva) ale otevírá otázky stability a účinnosti. Úvod do termojaderné fúze 6: Otevřené systémy

Pinče: z-pinč Proud od elektrody k elektrodě. &  cvičení Bennetova podmínka:  cvičení Dobrá doba udržení, ale potíže s nestabilitami - přiškrcení (korálková, sausage) - smyčková (kink) Stabilizace: - podélným magnetickým polem - vodivou stěnou Úvod do termojaderné fúze 6: Otevřené systémy

Nestability z-pinče Nestabilita přiškrcení Stabilizace mg. polem: Azimutální pole roste s 1/r Podélné reaguje s 1/r2 Nestabilita smyčková Stabilizace vodivou stěnou Úvod do termojaderné fúze 6: Otevřené systémy

z-pinč: sheet pinch aj. Concentric metal cylinders z – facility : imploze plazmatu proudem odpařených wolframových vodičů. dnes hlavně v inerciální fúzi (LLNL) Ve Frascati také zkoušeli pomáhat implozi pomocí výbušnin. Úvod do termojaderné fúze 6: Otevřené systémy

q - pinč Indukovaný proud (výhoda, bezkontaktní) pomocí jediné cívky (rychlost) Stabilnější než z-pinč. Problém koncových ztrát  zrcadla, velká délka nebo uzavření do torusu Úvod do termojaderné fúze 6: Otevřené systémy

q – pinč II Na pinčích poprvé měřeny neutrony. Bylo mnoho diskusí o tom, zda šlo o termonukleární neutrony. V případě z-pinčů šlo o produkty urychlených částic (záření nebylo izotropní). V případě q – pinčů lze s velkou jistotou říci, že část neutronů má fúzní původ. Jde tedy o zařízení, které první dosáhlo „měřitelné termonukleární fúze“. Scylla nTt ~ 1017 fúzi potvrzuje i spektrum p Úvod do termojaderné fúze 6: Otevřené systémy

q – pinč III Měřené fúzní neutrony: je otázka, zda byly tepelné nebo důsledkem Er I kdyby byly pinče stabilní, šlo by z prinicipu o pulzní reaktory  velká cirkulující energie Podobné to je v inerciální fúzi, ale tam je výkon koncentrovanější! Pozorovány byly m=2 nestability a difúze lepší než Bohmova Scylla IV: Low Z end stoppers t stouplo z 9 ms na 29 ms q-pinč jako FRC všimněte si, že má X-points Úvod do termojaderné fúze 6: Otevřené systémy

Plasma fokus: Filippov-type Filippov-type focus (1952) Neutron yield up to 3.109 per pulse Neutrony vylétají z jednoho místa u anody kde proud kolabuje na osu (axial plasma jets) Úvod do termojaderné fúze 6: Otevřené systémy

Plasma fokus: Mather-type Mather-type plasma gun coaxial setup MHD urychlování plazmatu v mezeře mezi elektrodami kvůli radiálnímu j a azimutálnímu B Na volném konci pak působí radiální síly - vlastně z-pinč efekt. ? Škálování tj. růst parametrů s velikostí ? ? Povaha záření neutronů ? lze rozeznat různé fáze v čase  filamentary structures Úvod do termojaderné fúze 6: Otevřené systémy

Plasma fokus Poměrně optimistické škálování přestává platit pro velké fokusy. U těch navíc začínají vážné problémy s energetikou. Výzkum fokusu pokračuje hlavně proto, že je slibným zdrojem záblesků neutronů a měkkých rentgenů. Optimistické škálování: neutron yield scales with the stored energy. ...ještě jednou mather-type gun Viz též http://www.focusfusion.org Úvod do termojaderné fúze 6: Otevřené systémy

Megajoule Plasma-Focus PF-1000 Největší funkční fokus je v IPPLM Varšava http://ifpilm.waw.pl/en_pf1000web/device.html Úvod do termojaderné fúze 6: Otevřené systémy