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Articulo de referencia

Híbrido toroidal compacto

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El Híbrido Toroidal Compacto (CTH) [ 1 ] es un dispositivo experimental en la Universidad de Auburn que utiliza campos magnéticos para confinar plasmas de alta temperatura . [ 2 ] [ 3 ] El CTH es un estelarador de tipo torsatrón con una bobina helicoidal externa de enrollamiento continuo que genera la mayor parte del campo magnético para contener un plasma.

Fondo

Los dispositivos de fusión por confinamiento magnético toroidal crean campos magnéticos que forman un toroide . Estos campos magnéticos constan de dos componentes: una apunta en la dirección longitudinal del toroide (dirección toroidal) y la otra en la dirección transversal (dirección poloidal). La combinación de ambas componentes crea un campo helicoidal . (Imagínese un bastón de caramelo flexible con los extremos unidos). Los dispositivos tipo Stellarator generan todos los campos magnéticos necesarios mediante bobinas magnéticas externas. Esto difiere de los dispositivos tokamak , donde el campo magnético toroidal se genera mediante bobinas externas y el campo magnético poloidal se produce por una corriente eléctrica que fluye a través del plasma.

Dibujo que muestra la cámara de vacío CTH (en gris) y las bobinas del campo magnético. HF (rojo): campo helicoidal, TF: campo toroidal, OH1, 2, 3: bobinas del transformador óhmico, MVF: campo vertical principal, TVF: campo vertical de ajuste, SVF: campo vertical de conformación, RF: campo radial, EF: campo de equilibrio, ECC: bobina de corrección de errores.

El dispositivo CTH

El campo magnético principal en CTH se genera mediante una bobina helicoidal de enrollamiento continuo. Un conjunto auxiliar de diez bobinas produce un campo toroidal muy similar al de un tokamak . Este campo toroidal se utiliza para variar la transformación rotacional de la estructura del campo magnético de confinamiento. CTH opera típicamente con un campo magnético de 0,5 a 0,6  teslas en el centro del plasma. CTH puede funcionar como un estelarador puro , pero también cuenta con un sistema de transformador de calentamiento óhmico para impulsar la corriente eléctrica en el plasma. Esta corriente produce un campo magnético poloidal que, además de calentar el plasma, modifica la transformación rotacional del campo magnético. Los investigadores de CTH estudian la eficacia del confinamiento del plasma mientras varían la fuente de la transformación rotacional, desde bobinas externas hasta la corriente del plasma.

La cámara de vacío del CTH está fabricada con Inconel 625 , que presenta una mayor resistencia eléctrica y una menor permeabilidad magnética que el acero inoxidable. La formación y el calentamiento del plasma se logran mediante calentamiento por resonancia ciclotrónica de electrones  (ECRH) de 14 GHz y 10  kW . Recientemente se ha instalado un girotrón de 200 kW en el CTH. El calentamiento óhmico en el CTH tiene una potencia de entrada de 100 kW.  

Operaciones

  • Las temperaturas electrónicas de los plasmas suelen ser de hasta 200 electronvoltios con densidades electrónicas de hasta 5 × 10 19  m −3 .
  • Los plasmas duran entre 60  ms y 100  ms.
  • Se necesitan entre 6  y 7  minutos para almacenar suficiente energía para alimentar las bobinas magnéticas.

Subsistemas

A continuación se presenta una lista de los subsistemas necesarios para el funcionamiento de CTH.

Diagnóstico

El CTH dispone de un amplio conjunto de herramientas de diagnóstico para medir las propiedades del plasma y los campos magnéticos. A continuación se presenta una lista de las principales herramientas de diagnóstico.

V3FIT

Últimas superficies de flujo magnético cerradas reconstruidas por el código V3FIT sin (izquierda) y con (derecha) corriente de plasma. La coloración representa la intensidad del campo magnético: el rojo indica el campo más intenso y el azul, el más débil. Las líneas de campo de ejemplo se muestran en blanco.

V3FIT [ 5 ] es un código para reconstruir el equilibrio entre el plasma y el campo magnético de confinamiento en casos donde el campo magnético es de naturaleza toroidal, pero no axisimétrico como en el caso de los equilibrios de los tokamaks. Debido a que los estelaradores no son axisimétricos, el grupo CTH utiliza los códigos V3FIT y VMEC [ 6 ] para reconstruir los equilibrios. El código V3FIT utiliza como entradas las corrientes en las bobinas de confinamiento magnético, la corriente del plasma y datos de los diversos sistemas de diagnóstico, como las bobinas de Rogowski, las cámaras SXR y el interferómetro. La salida del código V3FIT incluye la estructura del campo magnético y los perfiles de la corriente del plasma, la densidad y la emisividad SXR. Los datos del experimento CTH se utilizaron y se siguen utilizando como banco de pruebas para el código V3FIT, que también se ha utilizado para la reconstrucción del equilibrio en los estelaradores Helically Symmetric eXperiment (HSX), Large Helical Device (LHD) y Wendelstein 7-X (W7-X), y en los experimentos de campo invertido Reversed-Field eXperiment (RFX) y Madison Symmetric Torus (MST) .

Objetivos y logros principales

CTH ha realizado y continúa realizando contribuciones fundamentales a la física de los estelaradores que transportan corriente. [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ] Los investigadores de CTH han estudiado los límites de disrupción y las caracterizaciones en función de la transformación rotacional aplicada externamente (debido a bobinas magnéticas externas) para:

Experimentos en curso

Los estudiantes y el personal de CTH trabajan en diversos proyectos de investigación experimental y computacional. Algunos de estos proyectos se realizan exclusivamente en la institución, mientras que otros se llevan a cabo en colaboración con otras universidades y laboratorios nacionales de Estados Unidos y del extranjero. Los proyectos de investigación actuales incluyen:

  • Estudios del límite de densidad en función de la transformación rotacional del vacío.
  • Utilización de técnicas espectroscópicas para medir la erosión del tungsteno con el grupo DIII-D
  • Medición de flujos de plasma con un sistema de imágenes de coherencia en CTH y en el estelarador W-7X.
  • Estudios de transporte de iones pesados ​​en el estelarador W-7X
  • Estudio de las regiones de transición entre plasmas totalmente ionizados y plasmas dominados por partículas neutras.
  • Implementación de un cuarto canal para el sistema interferométrico.
  • Calentamiento por resonancia ciclotrónica de electrones de segundo armónico con un girotrón

Historia

CTH es el tercer dispositivo torsatrón que se construirá en la Universidad de Auburn. Los dispositivos de confinamiento magnético construidos anteriormente en la universidad fueron:

El Torsatron de Auburn (1983–1990)

El Torsatron de Auburn tenía una bobina helicoidal l=2, m=10. La cámara de vacío tenía un radio mayor de R o = 0,58  m y un radio menor de a v = 0,14  m. La intensidad del campo magnético era |B| ≤ 0,2  T y los plasmas se formaban con ECRH utilizando un  magnetrón de 2,45 GHz tomado de un horno de microondas. El Torsatron de Auburn se utilizó para estudiar la física básica del plasma y el diagnóstico, así como técnicas de mapeo de superficies magnéticas [ 12 ] [ 13 ].

El Torsatron compacto de Auburn (1990-2000)

El Torsatron Compacto Auburn (CAT) tenía dos bobinas helicoidales, una l=1,m=5 y una l=2,m=5 cuyas corrientes podían controlarse independientemente. [ 14 ] La variación de las corrientes relativas entre las bobinas helicoidales modificaba la transformación rotacional. El radio mayor de la cámara de vacío era R o = 0,53  m con un radio menor del plasma de a v =0,11  m. La intensidad del campo magnético en estado estacionario era |B| 0,1  T. Los plasmas del CAT se formaron con ECRH utilizando una fuente de magnetrón de baja ondulación, 6  kW, 2,45  GHz. El CAT se utilizó para estudiar islas magnéticas, [ 15 ] minimización de islas magnéticas, [ 16 ] y rotaciones de plasma impulsadas [ 17 ]

Otros Stellarators

A continuación se muestra una lista de otros Stellarators en los EE. UU. y en todo el mundo:

Referencias

  1. ↑ Hartwell, GJ; Knowlton, SF; Hanson, JD; Ennis, DA; Maurer, DA (2017). "Diseño, construcción y operación del híbrido toroidal compacto". Ciencia y tecnología de fusión . 72 (1): 76. Bibcode : 2017FuST...72...76H . doi : 10.1080/15361055.2017.1291046 . S2CID 125968882 . 
  2. ↑ "Simulaciones del híbrido toroidal compacto usando NIMROD" (PDF) . Laboratorio de Física de Plasmas de Princeton . Estados Unidos: PPPL , Departamento de Energía de los Estados Unidos . 13 de noviembre de 2011. pág. 18. 
  3. ↑ Bader, Aaron (ORCID:000000026003374X); Hegna, CC; Cianciosa, Mark R. (ORCID:0000000162115311); Hartwell, GJ (2018-03-16). "Curvatura magnética mínima para divertors resilientes usando geometría híbrida toroidal compacta" . Plasma Physics and Controlled Fusion . 60 (5). Estados Unidos: Oficina de Información Científica y Técnica , Departamento de Energía de los Estados Unidos : 054003. Bibcode : 2018PPCF...60e4003B . doi : 10.1088/1361-6587/aab1ea . OSTI 1426567. S2CID 49537840. Recuperado el 27 de septiembre de 2019 .  {{cite journal}}: CS1 maint: nombres numéricos: lista de autores ( enlace )
  4. ↑ Herfindal, JL; Dawson, JD; Ennis, DA; Hartwell, GJ; Loch, SD; Maurer, DA (2014). "Diseño y funcionamiento inicial de un sistema de cámara de rayos X blandos de dos colores en el experimento Compact Toroidal Hybrid". Review of Scientific Instruments . 85 (11): 11D850. Bibcode : 2014RScI...85kD850H . doi : 10.1063/1.4892540 . PMID 25430263 . 
  5. ↑ Hanson, JD; Hirshman, SP; Knowlton, SF; Lao, LL; Lazarus, EA; Shields, JM (2009). "V3FIT: un código para la reconstrucción de equilibrio tridimensional". Fusión nuclear . 49 (7) 075031. Bibcode : 2009NucFu..49g5031H . doi : 10.1088/0029-5515/49/7/075031 . S2CID 122663807 . 
  6. ↑ Hirshman, SP; Whitson, JC (1983). "Método del momento de descenso más pronunciado para equilibrios magnetohidrodinámicos tridimensionales". Physics of Fluids . 26 (12): 3553. Bibcode : 1983PhFl...26.3553H . doi : 10.1063/1.864116 . OSTI 5537804 . 
  7. ↑ Ma, X.; Cianciosa, MR; Ennis, DA; Hanson, JD; Hartwell, GJ; Herfindal, JL; Howell, EC; Knowlton, SF; Maurer, DA; Tranverso, PJ (2018). "Determinación de perfiles de transformación de corriente y rotación en un estelarador portador de corriente mediante mediciones de emisividad de rayos X blandos". Physics of Plasmas . 25 (1): 012516. Bibcode : 2018PhPl...25a2516M . doi : 10.1063/1.5013347 . OSTI 1418890 . 
  8. ↑ Roberds, NA; Guazzotto, L.; Hanson, JD; Herfindal, JL; Howell, EC; Maurer, DA; Sovinec, CR (2016). "Simulaciones de diente de sierra en un estelarador portador de corriente". Physics of Plasmas . 23 (9): 092513. Bibcode : 2016PhPl...23i2513R . doi : 10.1063/1.4962990 .
  9. ↑ Ma, X.; Maurer, DA; Knowlton, SF; ArchMiller, MC; Cianciosa, MR; Ennis, DA; Hanson, JD; Hartwell, GJ; Hebert, JD; Herfindal, JL; Pandya, MD; Roberds, NA; Traverso, PJ (2015). "Reconstrucción de equilibrio no axisimétrico de un estelarador portador de corriente utilizando mediciones externas de radio de inversión magnética y de rayos X blandos". Physics of Plasmas . 22 (12): 122509. Bibcode : 2015PhPl...22l2509M . doi : 10.1063/1.4938031 . OSTI 1263869 . 
  10. ↑ Pandya, MD; ArchMiller, MC; Cianciosa, MR; Ennis, DA; Hanson, JD; Hartwell, GJ; Hebert, JD; Herfinday, JL; Knowlton, SF; Ma, X.; Massida, S.; Maurer, DA; Roberds, NA; Traverso, PJ (2015). "Operación con bajo factor de seguridad en el borde y evitación pasiva de disrupciones en plasmas portadores de corriente mediante la adición de una transformación rotacional de estelarador". Physics of Plasmas . 22 (11): 110702. Bibcode : 2015PhPl...22k0702P . doi : 10.1063/1.4935396 .
  11. ↑ ArchMiller, MC; Cianciosa, MR; Ennis, DA; Hanson, JD; Hartwell, GJ; Hebert, JD; Herfindal, JL; Knowlton, SF; Ma, X.; Maurer, DA; Pandya, MD; Tranverso, PJ (2014). "Supresión de la inestabilidad vertical en plasmas alargados portadores de corriente mediante la aplicación de la transformación rotacional del estelarador" . Física de Plasmas . 21 (5): 056113. Bibcode : 2014PhPl...21e6113A . doi : 10.1063/1.4878615 .
  12. ↑ Gandy, RF; Henderson, MA; Hanson, JD; Hartwell, GJ; Swanson, DG (1987). "Mapeo de superficies magnéticas con una técnica de filamento emisivo en el Auburn Torsatron". Review of Scientific Instruments . 58 (4): 509– 515. Bibcode : 1987RScI...58..509G . doi : 10.1063/1.1139261 .
  13. ↑ Hartwell, GJ; Gandy, RF; Henderson, MA; Hanson, JD; Swanson, DG; Bush, CJ; Colchin, RJ; England, AC; Lee, DK (1988). "Mapeo de superficies magnéticas con pantallas altamente transparentes en el Auburn Torsatron" . Review of Scientific Instruments . 59 (3): 460– 466. Bibcode : 1988RScI...59..460H . doi : 10.1063/1.1139861 .
  14. ↑ Gandy, RF; Henderson, MA; Hanson, JD; Knowlton, SF; Schneider, TA; Swanson, DG; Cary, JR (1990). "Diseño del Torsatrón compacto de Auburn". Fusion Technology . 18 (2): 281. Bibcode : 1990FuTec..18..281G . doi : 10.13182/FST90-A29300 . OSTI 5454593 . 
  15. ↑ Henderson, MA; Gandy, RF; Hanson, JD; Knowlton, SF; Swanson, DG (1992). "Medición de superficies magnéticas en el Torsatron compacto de Auburn". Review of Scientific Instruments . 63 (12): 5678– 5684. Bibcode : 1992RScI...63.5678H . doi : 10.1063/1.1143349 .
  16. ↑ Gandy, RF; Hartwell, GJ; Hanson, JD; Knowlton, SF; Lin, H. (1994). "Control de islas magnéticas en el Torsatron compacto de Auburn". Física de plasmas . 1 (5): 1576– 1582. Bibcode : 1994PhPl....1.1576G . doi : 10.1063/1.870709 .
  17. ↑ Thomas, Jr., .E; Knowlton, SF; Gandy, RF; Cooney, J.; Prichard, D.; Pruitt, T. (1998). "Rotación de plasma impulsada en el Torsatron compacto de Auburn". Física de plasmas . 5 (11): 3991– 3998. Bibcode : 1998PhPl....5.3991T . doi : 10.1063/1.873120 .
  • Sitio web de CTH archivado el 13 de agosto de 2019 en Wayback Machine .
  • Departamento de Física
  • Universidad de Auburn