Сферомак — це плазмова конфігурація, сформована у формі тороїдального димового кільцяArnie Heller, "Experiment Mimics Nature's Way with Plasmas", Lawrence Livermore National Laboratory. Сферомак містить великі внутрішні електричні струми та пов'язані з ними магнітні поля, розташовані таким чином, що магнітогідродинамічні сили всередині сферомаку майже збалансовані, що призводить до тривалого (мікросекундного) часу утримання без зовнішніх полів. Сферомаки належать до типу плазмової конфігурації, що називається компактними тороїдами . Сферомак можна створити та підтримувати за допомогою інжекції магнітного потоку, що призводить до утворення динамакуJarboe, T. R., et al. "Recent results from the HIT-SI experiment." Nuclear Fusion 51.6 (2011): 063029.
Фізика сферомаків та зіткнень між ними подібна до різноманітних астрофізичних подій, таких як корональні петлі та нитки, релятивістські струмені та плазмоїди. Вони особливо корисні для вивчення подій магнітного перез'єднання, коли два або більше сферомаків стикаються. Сферомаки легко створювати за допомогою «гармати», яка викидає сферомаки з кінця електрода в область утримання, яка називається консерватором потоку. Це зробило їх корисними в лабораторних умовах, і сферомакові гармати є досить поширеними в астрофізичних лабораторіях. Ці пристрої часто, що може викликати плутанину, називають просто «сферомаками»; цей термін має два значення.
Сферомаки були запропоновані як концепція магнітного термоядерного синтезу через їхній тривалий час утримання, який був такого ж порядку, як і в найкращих токамаках на момент їхнього першого вивчення. Хоча у 1970–1980-х роках сферомаки продемонстрували певні успіхи, їхні малі розміри та низька енергетична ефективність обмежували продуктивність цих установок. Наприкінці 1980-х років, після різкого скорочення фінансування досліджень термоядерного синтезу, більшість програм, присвячених сферомакам, було припинено. Водночас наприкінці 1990-х років дослідження показали, що сферомаки з вищою температурою плазми характеризуються кращим часом її утримання, що започаткувало другу хвилю розвитку цієї технології. Крім того, сферомаки використовувалися як джерело плазми для її інжекції в масштабніші експериментальні установки магнітного утримання, зокрема токамак.
Різниця з FRC
Різниця між конфігурацією з оберненим полем (FRC) та сферомаком полягає в тому, що сферомак має внутрішнє тороїдальне поле, тоді як плазма FRC його не має. Це поле може рухатися за годинниковою стрілкою або проти годинникової стрілки відносно напрямку обертання плазмиDolan, Thomas. Magnetic Fusion Technology. Vol. 2. New York City: Springer, 2012. Print..
Історія Сферомак пройшов кілька різних періодів дослідження, найбільші зусилля були докладені протягом 1980-х років, а його повторне поява відбулася у 2000-х роках.
Довідкова робота з астрофізики Ключовим поняттям у розумінні сферомаку є магнітна спіральність, величина що описує «скрученість» магнітного поля в плазмі.
Найдавнішу роботу з цих концепцій розробив Ганнес Альфвен у 1943 році, яка принесла йому Нобелівську премію з фізики 1970 року. Його розробка концепції альфвенівських хвиль пояснила тривалу динаміку плазми, оскільки електричні струми, що рухаються всередині них, створювали магнітні поля, які, подібно до динамо-машини, породжували нові струми.
У 1950 році Лундквіст експериментально досліджував хвилі Альфвена у ртуті та ввів характеризуюче число Лундквіста, яке описує провідність плазми. У 1958 році Лодевейк Вольтьєр, працюючи над астрофізичною плазмою, зазначив, що зберігається, що означає, що звивистість поля намагатиметься зберегти її навіть за умови дії зовнішніх сил.
Починаючи з 1959 року, Альфвен разом із командою, до якої входили Ліндберг, Мітлід і Якобсен, розробив пристрій для створення плазмових куль із метою їхнього подальшого дослідження. Ця установка була ідентичною сучасним пристроям типу «коаксіального інжектора» (описаним нижче), а під час експериментів дослідники виявили низку несподіваних і важливих властивостей плазми. Серед них було утворення стабільних плазмових кілець.
Попри численні досягнення, у 1964 році дослідники переключилися на інші напрями роботи, унаслідок чого концепція інжектора залишалася без подальшого розвитку протягом наступних двох десятиліть.
Фонова робота в галузі термоядерного синтезу У 1951 році розпочалися дослідження, спрямовані на створення керованого термоядерного синтезу з метою виробництва енергії. У межах цих експериментів зазвичай застосовували імпульсні джерела енергії для формування потужних магнітних полів, необхідних для утримання плазми. Величини струмів і відповідних магнітних сил, що виникали в таких установках, були безпрецедентними.
У 1957 році Гарольд Ферт, Левін і Ванієк дослідили динаміку великих магнітних систем та показали, що основним обмеженням у роботі магнітів є не лише електромагнітні параметри, а й механічні фактори: напруження всередині магніту можуть перевищувати його власні конструкційні межі. Вони запропонували таку конфігурацію намотування магнітних обмоток, за якої сили всередині них взаємно компенсуються, утворюючи так званий «безсиловий стан». Хоча на той час це не було усвідомлено, така конфігурація відповідала магнітному полю, характерному для сферомака.
У 1957 році у Великій Британії розпочала роботу установка ZETA (термоядерний реактор). На той час ZETA був безперечно найбільшим і найпотужнішим термоядерним пристроєм у світі. Установку експлуатували до 1968 року, коли за масштабами з нею вже могли порівнювати багато інших. Під час роботи експериментальна команда помітила, що в окремих випадках плазма й далі утримувалася навіть після формального завершення експериментального циклу.
Роками пізніше, у 1974 році, Джон Браян Тейлор охарактеризував цю самостабільну плазму, яку він назвав «спокійною». Він розробив концепцію рівноважного стану Тейлора, плазмового стану, який зберігає спіральність у своєму найнижчому можливому енергетичному стані. Це призвело до відродження досліджень компактних тороїдів.
Іншим підходом до синтезу була концепція тета-пінчу, яка була подібна до z-пінчу, що використовується в ZETA в теорії, але використовувала інше розташування струмів і полів. Працюючи над такою машиною на початку 1960-х років, розробленою з конічною областю пінчу, Бостік і Веллс виявили, що машина іноді створює стабільні кільця плазми. Далі було розроблено серію установок для дослідження цього явища. Одне з вимірювань за допомогою магнітного зонда виявило тороїдальний профіль магнітного поля, характерний для сферомака: тороїдальна складова поля була нульовою на осі, зростала до максимального значення в певній внутрішній області, а потім зменшувалася до нуля біля стінки камери. Однак концепція тета-пінчу не дозволила досягти високих енергетичних параметрів, необхідних для реалізації термоядерного синтезу, тому більшість досліджень у цьому напрямі було припинено до 1970-х років.
Золотий вік Ключовою концепцією в термоядерному синтезі є енергетичний баланс для будь-якої машини, що здійснює термоядерне плавлення гарячої плазми.
Корисна потужність = ККД * (Тип термоядерного синтезу – Втрати на випромінювання – Втрати на провідність)
Це є основою критерію Лоусона. Щоб збільшити швидкість синтезу, дослідження зосередилися на «потрійному добутку» – комбінації температури плазми, густини та часу утримання. Пристрої для синтезу зазвичай поділяються на два класи:
імпульсні машини, такі як z-пінч, які намагалися досягти високих густин і температур, але лише протягом мікросекунд; концепції стаціонарного режиму, такі як стеларатор і магнітне дзеркало, які намагалися досягти критерію Лоусона за рахунок триваліших часів утримання.
Робота Тейлора припустила, що самостабільна плазма буде простим способом підійти до проблеми вздовж осі обмеження часу. Це спричинило новий виток теоретичних розробок. У 1979 році Розенблут і Буссак опублікували статтю, в якій описувалися узагальнення роботи Тейлора, включаючи сферичний стан мінімальної енергії з нульовим тороїдальним полем на обмежуючій поверхні. Це означає, що на осі пристрою немає зовнішнього струму, а отже, немає зовнішніх котушок тороїдального поля. Здавалося, що цей підхід дозволить створити термоядерні реактори значно простішої конструкції, ніж переважні підходи стеларатора та токамака.
Кілька експериментальних пристроїв з'явилися майже за одну ніч. Веллс розпізнав свої попередні експерименти як приклади такої плазми. Він перейшов до Університету Маямі та почав збирати фінансування для пристрою, що поєднує дві його попередні конічні тета-пінчові системи, які стали Trisops. Університет Меріленду, Коледж-Парк, побудував PS-1, який використовував комбінацію тета- та дзета-пінчів для створення сферомаків, як це також було зроблено в Університеті Ніхон в Японії.
Гарольд Фюрт був захоплений перспективою менш дорогого рішення проблеми обмеження та розпочав S1 у Принстонській лабораторії фізики плазми, який використовував індуктивний нагрів. Багато з цих ранніх експериментів були узагальнені Фюртом у 1983 році.
Ці ранні експерименти з MFE завершилися експериментом Compact Torus Experiment (CTX) у Лос-Аламосі. Це був найбільший і найпотужніший пристрій тієї епохи, що генерував сферомаки з поверхневими струмами 1 МА, температурами 100 еВ та піковими бета-запасами електронів понад 20%. CTX експериментував з методами повторного введення енергії в повністю сформований сферомак, щоб протидіяти втратам на поверхні.
Незважаючи на ці ранні успіхи, до кінця 1980-х років токамак перевершив час утримання сферомаків на порядки. Наприклад, JET досягав часу утримання порядку 1 секунди.
Ключова подія, що призвела до згортання більшості досліджень сферомаків, мала не технічний, а фінансово-політичний характер: у 86 фінансовому році (FY86) було суттєво скорочено фінансування всієї американської програми термоядерного синтезу, і значна частина «альтернативних підходів», включно зі сферомаками, втратила підтримку. Існуючі експериментальні установки у США продовжували роботу лише до повного вичерпання фінансування, тоді як менші дослідницькі програми в інших країнах, зокрема в Японії, а також нова установка SPHEX у Великій Британії, залишалися активними в період приблизно з 1979 до 1997 року. У той же час проєкт CTX отримав додаткове фінансування від Міністерства оборони та продовжував експерименти до 1990 року. Останні запуски підвищили температуру до 400 еВ та час утримання порядку 3 мс"Physics through the 1990s", National Academies Press, 1986, p. 198.
Астрофізика На початку 1990-х років робота зі сферомаками широко використовувалася астрофізичною спільнотою для пояснення різних подій, а сферомак вивчався як доповнення до існуючих пристроїв MFE.
Д. М. Раст та А. Кумар були особливо активними у використанні магнітної спіральності та релаксації для вивчення сонячних протуберанців"Publications for the years". Подібну роботу виконали Беллан та Хансен у Каліфорнійському технологічному інституті та в рамках проекту Swarthmore Spheromak Experiment (SSX) у Свортмор-коледжі.
Аксесуар для фузії Деякі роботи з MFE тривали протягом цього періоду, майже всі вони використовували сферомаки як допоміжні пристрої для інших реакторів. Caltech та INRS-EMT у Канаді використовували прискорені сферомаки як спосіб заправки токамаків. Інші вивчали використання сферомаків для інжекції спіральності в токамаки, що зрештою призвело до появи пристрою Helicity Injected Spherical Torus (HIST) та аналогічних концепцій для низки існуючих пристроїв.
Оборона