El Madison Symmetric Torus ( MST ) es un experimento de física de pellizco de campo inverso (RFP) con aplicaciones tanto para la investigación de la energía de fusión como para los plasmas astrofísicos ubicados en la Universidad de Wisconsin-Madison . Las RFP son significativamente diferentes de los tokamaks (el esquema de confinamiento magnético más popular ) en que tienden a tener una densidad de potencia más alta y mejores características de confinamiento para un campo magnético promedio dado. Las RFP también tienden a estar dominadas por fenómenos no ideales y efectos turbulentos. MST es uno de los sitios del Center for Magnetic Self Organization (CMSO).
Toro simétrico de Madison | |
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Tipo de dispositivo | Pellizco de campo invertido |
Localización | Madison, Wisconsin , Estados Unidos |
Afiliación | Universidad de Wisconsin-Madison |
Enlaces | |
Sitio web | Sitio web oficial de MST |
Clasificación
Como en la mayoría de estos experimentos, el plasma MST es un pellizco toroidal , lo que significa que el plasma tiene forma de rosquilla y está confinado por un campo magnético generado por una gran corriente que lo atraviesa. El MST pertenece a una clase poco convencional de máquina denominada pellizco de campo inverso (RFP). La RFP se llama así porque el campo magnético toroidal que impregna el plasma invierte espontáneamente la dirección cerca del borde.
Un pellizco de campo inverso se forma de manera similar a otros dispositivos de pellizco toroidal, impulsando corriente a través del plasma desde un banco de condensadores asociado u otras fuentes de energía de alta corriente. En un tokamak, el campo toroidal es mucho más fuerte que el campo poloidal, pero en un RFP es todo lo contrario. De hecho, en una RFP, el campo toroidal aplicado externamente se apaga poco después del inicio. El plasma en una RFP también está mucho más cerca de la pared que en un Tokamak. Esto permite una disposición peculiar de las líneas del campo magnético, que se 'relajarán' en un nuevo estado de modo que la energía magnética total en el plasma se minimice y la helicidad magnética total se conserve. El estado relajado llamado estado de Taylor está marcado por una disposición peculiar de líneas de campo magnético donde el campo magnético toroidal en el borde invierte espontáneamente la dirección.
Experimentos en curso en el programa MST
Unidad de corriente de campo oscilante
Como la mayoría de los esquemas de confinamiento toroidal, el RFP se basa en una ráfaga transitoria de corriente para crear el plasma y los campos magnéticos que lo confinan. Pero para que la RFP sea un candidato viable a la energía de fusión, el plasma debe ser sostenido por una fuente de corriente de estado estable. OFCD es un esquema para impulsar una corriente constante en un plasma relajado agregando perturbaciones oscilantes considerables a los campos toroidal y poloidal inyectando tanto potencia como helicidad en el plasma.
Una reacción no lineal en el plasma combina las dos oscilaciones de tal manera que, en promedio, se mantiene una corriente constante.
Inyección de pellet
Uno de los desafíos que enfrenta la RFP es alimentar el núcleo caliente del plasma directamente, en lugar de depender del gas deuterio para que se filtre lentamente desde el borde. El inyector de pellets dispara un pellet de deuterio congelado en el plasma mediante una ráfaga de gas o un punzón mecánico. El gránulo se vaporiza e ioniza a medida que viaja al núcleo del plasma.
Accionamiento de corriente poloidal pulsada
Cada gradiente es una fuente de energía libre, especialmente si se encuentra a través de un campo magnético. En MST, la corriente es más fuerte en el núcleo que en el borde. Este perfil de corriente pico sirve como fuente de energía libre para las fluctuaciones magnéticas que culminan en eventos violentos en el plasma llamados dientes de sierra .
PPCD alivia este efecto impulsando una corriente en el borde del plasma, aplanando el perfil de la corriente. Se agregan pequeños pulsos a las corrientes de suministro de energía que impulsan el campo toroidal. El campo magnético toroidal pulsado resultante, con la ayuda de la ley de Faraday , crea un campo eléctrico poloidal y, por tanto, una corriente poloidal. Se dedica una gran cantidad de investigación sobre la MST al estudio de este efecto y su aplicación para mejorar el confinamiento.
Inyección de haz neutro
Para iniciar una reacción de fusión sostenida, generalmente es necesario utilizar muchos métodos para calentar el plasma. La inyección de haz neutro (NBI) implica inyectar un haz de alta energía de átomos neutros, típicamente hidrógeno o deuterio, en el núcleo del plasma. Estos átomos energéticos transfieren su energía al plasma, elevando la temperatura general. Los átomos neutrales inyectados no permanecen neutrales. A medida que el haz atraviesa el plasma, los átomos se ionizan al rebotar en los iones del plasma. Debido a que el campo magnético dentro del toro se curva en un círculo, se espera que los iones rápidos estén confinados en el plasma de fondo. Los iones rápidos confinados son ralentizados por el plasma de fondo, de la misma manera que la resistencia del aire ralentiza una pelota de béisbol. La transferencia de energía de los iones rápidos al plasma aumenta la temperatura del plasma. El inyector real se puede ver desde la ventana de observación. Parece un cilindro plateado largo que yace de lado pero inclinado ligeramente hacia abajo contra el toro cerca de la parte trasera de la máquina. Cuando se pulsa el inyector, 20.000 voltios acelera el rayo a aproximadamente 30 amperios de corriente durante aproximadamente 1,5 milisegundos.
Ocurrirían problemas si los iones rápidos no se encuentran confinados dentro del plasma el tiempo suficiente para que depositen su energía. Las fluctuaciones magnéticas atormentan el confinamiento del plasma en este tipo de dispositivo al codificar lo que esperábamos que fueran campos magnéticos de buen comportamiento. Si los iones rápidos son susceptibles a este tipo de comportamiento, pueden escapar muy rápidamente. Sin embargo, hay evidencia que sugiere que no lo son.
Impulsión de corriente de onda de Electron Bernstein
EBW es un acrónimo de Electron Bernstein Wave y lleva el nombre del físico del plasma, Ira Bernstein .
El modo de onda de Bernstein se relaciona con un método de inyección de energía de iones o electrones (IBW o EBW) en un plasma para aumentar su temperatura en un intento por alcanzar las condiciones de fusión. Un plasma es una fase de la materia que ocurre naturalmente durante los rayos y descargas eléctricas y que se crea artificialmente en reactores de fusión para producir temperaturas extremadamente altas.
Se puede encontrar una definición en el diccionario Laurence Livermore Plasma. [2]
Este es un experimento en el MST para calentar el plasma e impulsar la corriente eléctrica dentro del plasma.
Hay una gran corriente eléctrica en el plasma dentro de esta máquina; es responsable de crear los campos magnéticos necesarios para realizar la configuración de pinzamiento de campo inverso. También calienta el plasma muy rápidamente, de la misma manera que los cables dentro de su tostadora se calientan. Su tostadora probablemente usa alrededor de 10 amperios de corriente, mientras que el plasma en MST se calienta hasta 600,000 amperios. Pero a pesar de que el plasma alcanza más de 10,000,000 grados Fahrenheit, no está lo suficientemente caliente para la energía de fusión práctica y necesitamos encontrar otras formas de depositar energía en el plasma. El EBW es una forma de inyectar energía de microondas para calentar aún más el plasma. El horno de microondas estándar produce alrededor de 1 kW de potencia a una frecuencia de 2,45 GHz; el experimento EBW produce actualmente 150 kW a 3,6 GHz, y el objetivo del equipo es actualizarlo a más de 2 MW. Para generar este tipo de energía (con un presupuesto bajo), se utilizan equipos de radar militar fuera de servicio y fuentes de alimentación de voltaje caseras.
El segundo objetivo (y quizás más importante desde el punto de vista científico) del experimento EBW es impulsar la corriente eléctrica en un lugar prescrito dentro del plasma. La corriente de plasma principal se distribuye naturalmente y el plasma tiende a concentrar la corriente en el centro, dejando menos corriente cerca del borde. Esto puede provocar inestabilidad del plasma. Se ha demostrado (tanto teóricamente como mediante experimentos en el Madison Symmetric Torus) que la corriente impulsora en el borde hace que el plasma sea más estable a las fluctuaciones en el campo magnético, lo que resulta en un mejor confinamiento del plasma caliente y conduce a una temperatura mucho más alta. Usar el EBW para impulsar esta corriente estabilizadora sería un resultado científico muy importante. La capacidad de depositar muy específicamente la corriente auxiliar nos da la oportunidad de optimizar nuestros esquemas de accionamiento actuales. El calentamiento también está muy localizado, lo que nos permite estudiar qué tan caliente (al menos localmente) puede llegar a ser el plasma dentro de este esquema de confinamiento magnético; en términos de la física del plasma, esto se denomina encontrar el límite beta. Esta es una pregunta sin respuesta para la RFP y dará una idea de si este tipo de máquina podría ampliarse o no a un reactor de fusión rentable y eficiente.
La sonda de haz de iones pesados
La sonda de haz de iones pesados (HIBP) dispara iones de potasio al plasma. Al medir su trayectoria, obtenemos un perfil de varias propiedades clave dentro del plasma.
Esta versátil herramienta de diagnóstico se ha utilizado en experimentos de fusión por confinamiento magnético para determinar el potencial eléctrico, la densidad de electrones, la temperatura de los electrones y el potencial del vector magnético del plasma.
Se inyecta una corriente de iones de sodio (el haz primario) desde la pistola de iones a través del campo magnético hacia el plasma. A medida que las partículas con carga única pasan a través del plasma, se ionizan aún más creando el haz secundario con doble carga.
A continuación, las secundarias se detectan y analizan fuera del plasma. Al curvar las trayectorias, el campo magnético separa los iones secundarios de los iones primarios. Debido a esto, solo los secundarios ionizados en una determinada posición del plasma alcanzan una determinada ubicación del detector. Esto permite que el HIBP realice mediciones localizadas en la posición de ionización. La corriente secundaria está relacionada con la densidad electrónica local y la sección transversal de ionización de los iones primarios, que es en sí misma una función de la temperatura del electrón. El potencial eléctrico se puede obtener a partir de la diferencia de energía entre los haces de iones primarios y secundarios. La energía del haz secundario se puede determinar a partir del ángulo en el que ingresa al analizador de energía.
El sistema MST-HIBP consta de:
- Un acelerador electrostático de 200 keV que forma, enfoca y acelera el haz de iones de diagnóstico;
- Las líneas de luz primarias y secundarias con sistemas de barrido que proporcionan transmisión y dirección del haz;
- Un analizador electrostático que mide la energía, la intensidad y la posición del haz secundario;
- Componentes y sistemas auxiliares que incluyen los detectores de haz primario y las estructuras de supresión de plasma / UV, etc.
Sistema de interferometría-polarimetría de infrarrojo lejano
FIR, o infrarrojo lejano, se refiere a la luz con longitudes de onda entre 1 y 10 mm. El sistema FIR en MST se basa en los láseres FIR encerrados en la sala de seguridad láser de color beige a la derecha de la imagen que se muestra, en el pasillo del segundo piso. Hay cuatro láseres FIR en el sistema. Uno es un láser de CO 2 que produce una potencia continua de aproximadamente 120 W. Este rayo se divide en tres. Cada haz bombea ópticamente un láser de vapor de ácido fórmico que funciona a una longitud de onda de 432,6 mm y una potencia de aproximadamente 20 mW. El sistema FIR tiene 2 modos de funcionamiento: interferometría y polarimetría.
¿Qué mide el sistema de diagnóstico FIR?
La densidad de electrones, la densidad de corriente plasmática y el campo magnético son tres parámetros plasmáticos importantes de MST. El sistema FIR se utiliza para medir sus distribuciones espaciales y temporales.
¿Cómo funciona la interferometría FIR?
Como el vidrio, un plasma tiene un índice de refracción diferente al del vacío (o aire) que depende de la densidad de electrones del plasma. Enviamos un rayo láser a través del plasma (el rayo sonda), otro a través del aire (el rayo de referencia) y medimos la diferencia de fase entre ellos. Esta configuración experimental se llama interferómetro Mach-Zehnder. La fase medida es proporcional a la densidad de electrones plasmáticos promedio a lo largo de la trayectoria del haz.
En MST, enviamos múltiples haces de sonda (líneas azules en la figura) a través del plasma en diferentes radios. Luego aplicamos la llamada técnica de inversión de Abel para obtener un perfil de la densidad de electrones del plasma.
¿Cómo funciona la polarimetría FIR?
Un plasma también es un medio ópticamente activo, lo que significa que cuando una onda electromagnética polarizada linealmente se propaga en paralelo (o antiparalelo) al campo magnético, la polarización de la onda que sale del plasma rotará un ángulo pequeño. Esto se llama rotación de Faraday y el ángulo se llama ángulo de rotación de Faraday. El sistema FIR mide la rotación de Faraday, que es proporcional a la línea promedio de la densidad de electrones multiplicada por el componente del campo magnético paralelo a la trayectoria del haz.
La razón de la rotación de Faraday es la siguiente: cuando una onda polarizada linealmente se propaga a lo largo de una línea de campo magnético, se descompone en componentes polarizados circularmente a la izquierda y a la derecha. La diferencia de fase entre ellos cuando salen del plasma hace que la onda recombinada linealmente polarizada gire su dirección de polarización. En MST, lanzamos dos ondas co-propagadas y contrarrotantes para sondear el plasma. Luego medimos la diferencia de fase entre estos dos haces, que será el doble del ángulo de rotación de Faraday.
En la figura, cada uno de los 11 haces de sonda azules es una combinación de dos haces de polarización circular, que giran en sentido contrario, que miden los ángulos de rotación de Faraday a lo largo de las mismas cuerdas que lo hace el interferómetro. Las fases combinadas del interferómetro y los ángulos de rotación de Faraday se pueden combinar para determinar la distribución del campo magnético poloidal. Utilizando la ley de Ampere, también se puede determinar la corriente de plasma toroidal.
¿Qué tan bien funciona el sistema de diagnóstico FIR?
El sistema FIR para MST es muy preciso. El ángulo de rotación de Faraday para plasmas MST suele estar dentro de los 5 grados. Para medir una señal tan pequeña, hemos logrado una precisión de 0,06 grados. La resolución temporal es inferior a 1 microsegundo.
¿Cuáles son algunos de los temas de investigación relacionados con FIR?
FIR es una herramienta esencial para la mayoría de los temas de investigación en MST, ya que proporciona información sobre los parámetros básicos del plasma. El sistema mide la densidad de electrones, la corriente toroidal, el campo magnético poloidal y los perfiles espaciales de cada uno.
Actualmente, estamos explorando la posibilidad de medir el campo magnético toroidal y la corriente de plasma poloidal utilizando el efecto de birrefringencia del plasma o el efecto Cotton-Mouton. Cuando una onda EM polarizada linealmente se propaga perpendicular al campo magnético, el índice de refracción depende de si la polarización de la onda es paralela o perpendicular a la dirección del campo magnético.
¿Por qué elegir láseres FIR?
Para la polarimetría-interferometría de plasma, la longitud de onda que elegimos es lo suficientemente larga para proporcionar cambios de fase inducidos por plasma medibles, pero lo suficientemente corta para evitar interacciones complicadas de onda de plasma, incluida la flexión del haz. Hay muchas líneas de láser molecular de alta potencia disponibles en este rango de longitud de onda y muchos detectores disponibles comercialmente.
Dispersión de Thomson
¿Qué es la dispersión de Thomson?
La dispersión de Thomson es el resultado de una colisión entre un fotón (una onda electromagnética) y una partícula cargada, como un electrón. Cuando un electrón y un fotón "chocan", el electrón siente una fuerza de Lorentz de los campos eléctricos y magnéticos oscilantes del fotón y se acelera. Esta aceleración hace que el electrón emita un fotón diferente en una dirección diferente. Este fotón emitido tiene una longitud de onda desplazada de la del fotón incidente en una cantidad que depende de la energía del electrón. Otra forma de ver esto es que el electrón absorbe la energía del fotón y vuelve a emitir la energía en forma de una onda electromagnética diferente. Esta dispersión de un fotón por un electrón se llama dispersión de Thomson.
¿Cómo es útil la dispersión de Thomson para los físicos del plasma?
Dado que la longitud de onda del fotón disperso depende de la energía del electrón dispersante, la dispersión Thomson es una buena forma de medir la energía de un electrón. Esto se hace creando un fotón de longitud de onda conocida y midiendo la longitud de onda del fotón disperso. La configuración de dispersión de Thomson en MST utiliza un sistema láser Nd: YAG de 1064 nm, que produce las mejores lecturas de temperatura de electrones con resolución temporal del mundo. [3] Creamos nuestros fotones con láseres de alta potencia que iluminamos en una ventana en la parte superior del MST y recolectamos fotones dispersos con una gran lente de recolección en el costado del MST.
La distribución de longitud de onda de los fotones dispersos nos dice la distribución de energía de los electrones en el plasma, lo que nos da una forma directa y discreta de obtener la temperatura de los electrones. La cantidad de fotones que realmente recolectamos también puede decirnos algo sobre la densidad de los electrones en el plasma.
Espectroscopia de recombinación de intercambio de carga y espectroscopia Doppler de iones
Los plasmas de fusión se generan típicamente a partir de la ionización de un gas neutro. En la mayoría de los casos, se utiliza un isótopo de hidrógeno, llamado deuterio , como combustible de plasma. Por lo tanto, estos plasmas están compuestos principalmente por iones de deuterio (más electrones), y es necesario diagnosticar el comportamiento de estos iones si se quiere comprender la física del plasma relevante. Sin embargo, en cualquier dispositivo de fusión, también están presentes otros tipos de iones ("impurezas"). Estos existen naturalmente debido a la incapacidad de lograr un vacío perfecto en un reactor de fusión antes de repostar. Por tanto, materiales como vapor de agua, nitrógeno y carbono se encontrarán en pequeñas cantidades en las descargas de plasma típicas. También se pueden generar impurezas durante las descargas de plasma debido a las interacciones plasma-pared. Estas interacciones causan principalmente que el material de la pared sea expulsado al plasma a través de la pulverización catódica. En el Madison Symmetric Torus (MST), las propiedades de los iones de impurezas (por ejemplo, carbono, oxígeno, etc.) están estrechamente relacionadas con las propiedades de los iones de deuterio como resultado de una fuerte interacción entre las especies de iones. Por tanto, las mediciones de iones de impurezas pueden, en principio, proporcionar información directa sobre los iones de deuterio. Las mediciones de la temperatura de los iones impureza ( T i ) y velocidad de flujo ( v i ) se obtienen en MST usando Charge Cambio de recombinación Spectroscopy, o Chers.
El proceso CHERS se puede dividir en dos pasos separados: Intercambio de carga y Decaimiento radiativo. En la primera etapa, un electrón se transfiere de un átomo neutro (por ejemplo, deuterio) a un ión de impureza que no tiene electrones (por ejemplo, C +6 ). Durante esta transferencia, el electrón normalmente termina en un estado excitado (alto nivel de energía) del ion impureza. A medida que el electrón decae hasta el estado fundamental (nivel mínimo de energía), la conservación de energía requiere que el ion impureza emita radiación. Esta emisión tiene valores discretos de energía, o longitud de onda, que corresponden a las diferencias de energía entre los niveles atómicos inicial y final de una transición electrónica particular. Por ejemplo, considere el intercambio de carga entre un átomo de deuterio y un ion C +6 : si el electrón se transfiere al nivel de energía n = 7 del ion de carbono, entonces el ion emitirá radiación a energías discretas dadas por la diferencia de energía entre los niveles n = 7 y n = 6, los niveles n = 6 y n = 5, los niveles n = 5 yn = 4, y así sucesivamente (hasta n = 1 ). Esta línea de emisión se ensancha con Doppler como resultado del movimiento térmico de los iones y se desplaza con Doppler como resultado del flujo de iones. El desplazamiento Doppler hace que la emisión se desplace al azul (hacia una longitud de onda más corta / frecuencia más alta) si los iones se mueven hacia el punto de observación, o que se desplace al rojo (hacia una longitud de onda más larga / una frecuencia más baja) si el flujo se aleja del punto de observación. Por lo tanto, las mediciones de la forma de la línea de emisión de carbono se utilizan para extraer valores para la temperatura y velocidad del ión de impureza.
Cambio de carga : H + C +6 →
H +1 + C +5 ( n = 7 , l = 6 )
Decaimiento radiativo : C +5 ( n = 7 , l = 6 ) →
C +5 ( n = 6 , l = 5 ) + h (fotón)
En un dispositivo de fusión típico, la densidad del átomo neutro es pequeña. Por lo tanto, la cantidad de emisión radiada que resulta del intercambio de carga entre los iones de impurezas y los neutrales también es pequeña. En MST, la densidad neutra se mejora mediante la inyección de átomos de hidrógeno rápidos a través de un haz de diagnóstico neutro (DNB). Como resultado, la emisión radiada aumenta considerablemente, aunque principalmente a lo largo de la ruta de inyección del haz (el DNB se encuentra debajo de la plataforma y no se puede ver desde aquí; la ruta de inyección es de derecha a izquierda a través del plasma). Perpendicularmente a la trayectoria del haz, existen varios puertos ópticos para ver el plasma en diferentes posiciones radiales. Para una descarga de plasma determinada, se coloca un sistema de haz de fibras en uno de estos puertos y se usa para recolectar las emisiones a lo largo de su línea de visión (los tubos negros en la parte superior de la máquina contienen ópticas de recolección de luz; las fibras se colocan en el largo , tubo blanco curvo cuando no está en uso). Esta emisión se envía a un espectrómetro (ubicado en una gran caja púrpura), donde se dispersa en un rango de longitud de onda finito, que se centra en la línea de emisión de interés, mediante un par de rejillas ópticas. Sin embargo, debido a que la emisión recolectada está dominada por la radiación a lo largo de la trayectoria del haz, las mediciones se localizan efectivamente en el volumen de intersección entre la vista de la fibra y el haz. En MST, este volumen de intersección es pequeño (~ 2 cm 3 ) en comparación con el volumen de plasma, lo que permite obtener medidas resueltas espacialmente de T i y v i . Los datos recopilados de una serie de descargas de plasma, para las que se varía la ubicación del sistema de haces de fibras, se utilizan para construir perfiles radiales de la temperatura y velocidad de los iones de impurezas, lo que proporciona información importante para comprender la física de los plasmas en MST. Las temperaturas de iones típicas medidas por CHERS en MST están en el rango de 100 a 800 eV (2 millones a 17 millones de grados Fahrenheit), dependiendo de la posición en el plasma y el tipo de descarga. Asimismo, las velocidades iónicas de equilibrio medidas son del orden de 1.000 a 10.000 metros por segundo.
Referencias
- ^ Almagri, AF, S. Assadi, SC Prager, JS Sarff y DW Kerst. "Modos bloqueados y errores de campo magnético en el toro simétrico de Madison". Física de fluidos B: Plasma Physics 4.12 (1992): 4080.
- ^ "Modo Bernstein" . plasmadictionary.llnl.gov . 2008-11-24. Archivado desde el original el 16 de julio de 2011.
- ^ Sistemas láser de ráfaga de pulsos para una rápida dispersión Thomson. Rev. Sci. Instrum. 81, 10D513 (2010); doi : 10.1063 / 1.3475723