Z-Pinch: Kiedy prąd sam siebie zaciska

Przepływ, który ogranicza się sam

Uruchom ogromny przepływ prądu — miliony amper, dostarczone w mikrosekundy przez maszynę z pulsuowanym siłownikiem — poziomie go w cienkim kolumnie gazu ionizowanego, a ta kolumna robi coś, czego nie robi żadna zwyczajowa linia: compryścina się sama pod wpływem własnego pola magnetycznego. Ta samoprzyciskanie to zpinanie Z (Z-pinch), nazwane na mocy kierunku osiowego (z) prądu, i jest jednym z najstarszych i najprostszych podejść do ograniczania ciepłego plasma bez żadnych zewnętrznego magnetyków.

Fizyka polega na prawie Ampère'a plus siły Lorentza, zastosowanej do własnego prądu plasma. Prąd I przepływający po osi kolumny tworzy pole magnetyczne Bθ, które kręci się wokół niego, najmocniejsze blisko powierzchni. To pole odwrotnie działa na sam prąd, który go stworzyło: siła na jednostkę objętości to j × B, a dla prądu przepływającego po z i pola krążącego w θ, iloczyn wektorowy wskazuje radialnie w głąb, ku osi. Plasma, w efekcie, compryścina się sama pod wpływem własnego pola — bez spętów ani zewnętrznego magnetyków, tylko prąd i geometria.

Równowaga Bennetta

Pinch nie może zawsze kompresować — podczas przekręcenia plasma cieplarniana nacisk rośnie i w końcu napędza powrotny nacisk wystarczający, aby równoważyć wewnętrzną siłę magnetyczną. Willard Bennett wykazał warunek równowagi w 1934 roku, dawno przed rozpoczęciem badań nad kontrolowanym fuzją, relacjonując całą przepustowość do temperatury plasma i liczby cząsteczek na jednostkę długości kolumny.

I² = 8π N k(Tᵢ + Tₑ) / μ₀ I — cała prędkość pincha N — liczba cząstek na jednostkę długości kolumny Tᵢ, Tₑ — temperatura jonów i elektronów μ₀ — przepuszczalność wolnej przestrzeni Odpowiedzienna relacja pokazuje bezpośrednio dlaczego badacze fuzji szukają prądów w milionach amper: prowadzenie plasma do temperatur fuzji przy rozsądnej gęstości cząsteczek wymaga prądów w zakresie od miliona do kilku milionów amper, dostarczanych szybkośćą, aby rolę grała nie tylko równowaga nacisku, ale również inercja plasma — to dlaczego rzeczywiste urządzenia pincha Z są maszynami z pulsowanym siłownikiem, wypuszczającymi banki kondensatorów w czasie od dziesięciu do setki nanosekundami zamiast ciągłych źródeł prądu.

I² = 8π N k(Tᵢ + Tₑ) / μ0

I        — total pinch current
N        — number of particles per unit length of the column
Tᵢ, Tₑ   — ion and electron temperature
μ0       — permeability of free space

Instabiliya sausagi

Idealnie uniformna pinża jest niestabilnym równowagą. Najprostszym sposobem, w jaki może się ona rozbić, jest instabiliya sausagi dla m=0. Wyobraźmy sobie małą losową zminkę w średnicy kolumny na pewnej długości jej biegunu. Teraz taka sama prąd przepływa przez mniejszą lokalną obszar, co powoduje, że pole azymutalne Bθ jest silniejsze w tej lokalizacji. Ponieważ siła pinża rośnie z intensywności pola, najsilniejsza compresiya ma miejsce dokładnie tam, gdzie kolumna jest już najszersza. To szersze miejsce staje się jeszcze szersze, co sprawia, że pole lokalne jest nadal silniejsze, tworząc nieskończone pętlę zwracającą się do siebie. Kolumna rozwijała chain of alternujących wypukłości i ścisnięć po jej długości — przypominających łańcuch sausagi — a najszersze punkty mogą pinzać się całkowicie, zniszczając kolumnę i powodując tym samym krótkotrwałe wzmocnienie lokalnej gęstości prądu oraz wydajności promieniowej.

Instability kinkowa

Druga główny tryb awarii, instabilność kinkowa o stopniu m=1, ukrwia kolumnę w bok zamiast pinchartować ją radialnie. Jeśli kolumna rozwija lekki łuk, linie pola magnetycznego skupiają się gęściej na stronie koncave (zewnątrz) łuku i rozszerzają się na stronie convex (zewnętrznym). Sile magnetycznej większej na stronie zewnętrznej przyczynia się do utrwalenia łuku, a nie do jego poprawy, co prowadzi do corkscrewowego i kąpielizownego zachowania kolumny, podobnego do naciętego prądnika przekazującego za dużo mocy. Oba tryby instabilności pochodzą z tej samej podstawowej struktury feedbacku — mała perturbacja uzupełnia siłę wywołującą ją, co jest ogólnym oznakiem instabilności w magnetohydrodynamice.

Życie z niestabilnością: od restygencji do potencjalnego kandydata na fuzję

Dodanie zewnętrznego pola magnetycznego osiowego, równoległego do prądu, daje plasma pewne opor przeciwko instabiliźm sausage, ponieważ zaciskanie stożka musi zaciskać również przycięte pole osiowe, co odpiera się od naciśnięcia. Zakręcenie całkowitego pola w heliks, tak aby obecnie były obecne zarówno komponenty azymutalny, jak i osiowy, podnosi próg prądu dla instabiliźm kink, formalizowany przez warunek stabilności Kruskala-Shafranowa stosowanego w całym zakresie badań nad fuzją z ogrzewaniem magnetycznym. Nie ma konfiguracji, która eliminuje całą instabiliźę, co jest powodem, dla którego współczesne podejścia Z-pinch do fuzji, takie jak program MagLIF Laboratorium Narodowych Badan Naukowo-Technicznych Sandia, nie próbują utrzymać stalowego stożka w stanie ustalonym — zamiast tego compryssują plasma przemagnetyzowaną i przegrzawaną w jednym szybkim impulsie, mając na celu osiągnięcie warunków fuzji i wydobywanie użytecznej energii przed tym, jak modi kink dostaną się do pełnego rozwoju i zniszczenia stożka.

Często zadawane pytania

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz Z-Pinch i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.