La configuración de campo invertido de Princeton ( PFRC ) es una serie de experimentos en la física del plasma , un programa experimental para evaluar una configuración para un reactor de energía de fusión , en el Laboratorio de Física del Plasma de Princeton (PPPL). El experimento analiza la dinámica de las configuraciones de campo invertido (FRC) de pulso largo, sin colisiones, [1] bajo parámetro s [2] formadas con campos magnéticos giratorios de paridad impar. [3] [4] Su objetivo es verificar experimentalmente las predicciones físicas de que tales configuraciones son globalmente estables y tienen niveles de transporte comparables con la difusión magnética clásica. [2]También tiene como objetivo aplicar esta tecnología al concepto Direct Fusion Drive para la propulsión de naves espaciales. [5]
Historia
El PFRC fue financiado inicialmente por el Departamento de Energía de los Estados Unidos . Al principio de su funcionamiento, fue contemporáneo de RMF-FRC como el experimento de mantenimiento de confinamiento de traducción (TCS) y Prairie View Rotamak (PV Rotamak).
En PPPL, el experimento PFRC-1 se ejecutó desde 2008 hasta 2011. [6] PFRC-2 se está ejecutando a partir de 2019[actualizar]. PFRC-3 está programado a continuación. El PFRC-4 está programado para mediados de la década de 2020. [6]
Campo magnético giratorio de paridad impar
La corriente eléctrica que forma la configuración de campo inverso (FRC) en el PFRC es impulsada por un campo magnético giratorio (RMF). Este método ha sido bien estudiado y produjo resultados favorables en la serie de experimentos de Rotamak. [7] Sin embargo, los campos magnéticos rotativos aplicados en estos y otros experimentos (los llamados RMF de paridad par ) inducen la apertura de las líneas del campo magnético. Cuando se aplica un campo magnético transversal al campo magnético de FRC de equilibrio axisimétrico, en lugar de que las líneas del campo magnético se cierren sobre sí mismas y formen una región cerrada, giran en espiral en la dirección azimutal y finalmente cruzan la superficie de la separatriz que contiene la región de FRC cerrada. [3]
![](http://wikiimg.tojsiabtv.com/wikipedia/commons/thumb/6/69/PFRC-2_discharge.gif/220px-PFRC-2_discharge.gif)
El PFRC utiliza antenas RMF que producen un campo magnético que cambia de dirección alrededor de un plano de simetría orientado con su normal a lo largo del eje, a la mitad de la longitud del eje de la máquina. Esta configuración se denomina campo magnético giratorio de paridad impar . Dichos campos magnéticos, cuando se añaden a los campos magnéticos de equilibrio simétrico, no provocan la apertura de las líneas del campo magnético. [3] Por lo tanto, no se espera que el RMF contribuya al transporte de partículas y energía fuera del núcleo del PFRC.
Parámetro s bajo
En un FRC, el nombre parámetro s se le da a la relación de la distancia entre el nulo magnético y la separatriz, y el radio de Larmor del ion térmico. Esa es la cantidad de órbitas de iones que pueden caber entre el núcleo del FRC y el lugar donde se encuentra con el plasma a granel. [2] Un FRC de alta s tendría un giroradio de iones muy pequeño en comparación con el tamaño de la máquina. Por lo tanto, a un parámetro s alto, se aplica el modelo de magnetohidrodinámica (MHD). [8] MHD predice que el FRC es inestable al "modo de inclinación n = 1", en el que el campo inverso se inclina 180 grados para alinearse con el campo magnético aplicado, destruyendo el FRC.
Se predice que un FRC de s bajo será estable en el modo de inclinación. [8] Un parámetro s menor o igual a 2 es suficiente para este efecto. Sin embargo, solo dos radios de iones entre el núcleo caliente y la masa fría significa que, en promedio, solo dos períodos de dispersión (cambios de velocidad de un promedio de 90 grados) son suficientes para eliminar un ion caliente relevante para la fusión del núcleo del plasma. Por lo tanto, la elección es entre iones de alto parámetro s que clásicamente están bien confinados pero convectivamente mal confinados, e iones de bajo parámetro s que clásicamente están mal confinados pero convectivamente bien confinados.
El PFRC tiene un parámetro s entre 1 y 2. [2] Se predice que la estabilización del modo de inclinación ayudará al confinamiento más que el pequeño número de colisiones tolerables dañará el confinamiento.
Propulsión de naves espaciales
Los científicos de Princeton Satellite Systems están trabajando en un nuevo concepto llamado Direct Fusion Drive (DFD) que se basa en el PFRC. Produciría energía eléctrica y propulsión a partir de un solo reactor de fusión compacto. El primer estudio de concepto y modelado (Fase I) se publicó en 2017, [9] y se propuso para impulsar el sistema de propulsión de un orbitador y un módulo de aterrizaje de Plutón . [9] [10] Agregar propelente al flujo de plasma frío da como resultado un empuje variable cuando se canaliza a través de una boquilla magnética. Modelado sugiere que el DFD podría producir 5 Newtons de empuje por cada mega vatios de energía de fusión generado. [11] Alrededor del 35% de la energía de fusión va a empuje, 30% a la energía eléctrica, 25% de pérdidas de calor, y el 10% se recircula para la frecuencia de radio de calentamiento (RF). [9] El concepto ha avanzado a la Fase II [11] para avanzar más en el diseño y el blindaje.
Referencias
- ^ Cohen, SA; Berlinger, B .; Brunkhorst, C .; Brooks, A .; Ferraro, N .; Lundberg, DP; Roach, A .; Glasser, AH (2007). "Formación de plasmas de alta β sin colisión por campos magnéticos giratorios de paridad impar". Cartas de revisión física . 98 (14): 145002. Código Bibliográfico : 2007PhRvL..98n5002C . doi : 10.1103 / physrevlett.98.145002 . PMID 17501282 .
- ^ a b c d Cohen, Samuel A. (4 de junio de 2008). "Configuración de campo invertido: aportación de la comunidad a FESAC" (PDF) . Investigación general de energía de fusión atómica . Atómica general . Consultado el 11 de diciembre de 2015 .
- ^ a b c Cohen, SA; Milroy, RD (1 de junio de 2000). "Mantener la topología de línea de campo magnético cerrado de una configuración de campo invertido con la adición de campos magnéticos transversales estáticos". Física de Plasmas . 7 (6): 2539-2545. Código Bibliográfico : 2000PhPl .... 7.2539C . doi : 10.1063 / 1.874094 . ISSN 1070-664X .
- ^ Glasser, AH; Cohen, SA (1 de mayo de 2002). "Aceleración de iones y electrones en la configuración de campo invertido con un campo magnético giratorio de paridad impar" . Física de Plasmas . 9 (5): 2093–2102. Código bibliográfico : 2002PhPl .... 9.2093G . doi : 10.1063 / 1.1459456 . ISSN 1070-664X .
- ^ Paluszek, Michael; Thomas, Stephanie (1 de febrero de 2019). "Direct Fusion Drive" . Sistemas de satélite de Princeton . Consultado el 17 de junio de 2019 .
- ^ a b Wall, Mike (11 de junio de 2019). "La nave espacial impulsada por fusión podría estar a solo una década de distancia" . Space.com . Futuro de EE . UU . Consultado el 17 de junio de 2019 .
- ^ Jones, Ieuan R. (1 de mayo de 1999). "Una revisión de la unidad de corriente de campo magnético giratorio y el funcionamiento del rotamak como una configuración de campo invertido (Rotamak-FRC) y un tokamak esférico (Rotamak-ST)". Física de Plasmas . 6 (5): 1950-1957. Código bibliográfico : 1999PhPl .... 6.1950J . doi : 10.1063 / 1.873452 . ISSN 1070-664X .
- ^ a b Barnes, Daniel C .; Schwarzmeier, James L .; Lewis, H. Ralph; Seyler, Charles E. (1 de agosto de 1986). "Estabilidad cinética de inclinación de configuraciones de campo invertido". Física de fluidos . 29 (8): 2616–2629. Código Bibliográfico : 1986PhFl ... 29.2616B . doi : 10.1063 / 1.865503 . ISSN 0031-9171 .
- ^ a b c Thomas, Stephanie (2017). "Orbitador y aterrizador de Plutón habilitados para fusión - Informe final de la fase I" (PDF) . Servidor de informes técnicos de la NASA . Sistemas de satélite de Princeton . Consultado el 14 de junio de 2019 .
- ^ Hall, Loura (5 de abril de 2017). "Orbitador y aterrizador Plutón habilitados para fusión" . NASA . Consultado el 14 de julio de 2018 .
- ^ a b Thomas, Stephanie J .; Paluszek, Michael; Cohen, Samuel A .; Glasser, Alexander (2018). Propulsión de vuelo nuclear y futura: modelando el empuje del Direct Fusion Drive . Conferencia Conjunta de Propulsión 2018. Cincinnati, Ohio: Instituto Americano de Aeronáutica y Astronáutica. doi : 10.2514 / 6.2018-4769 . Consultado el 14 de junio de 2019 .
enlaces externos
- Sitio web oficial , Laboratorio de Física del Plasma de Princeton
- Profesor Samuel A. Cohen