Конфігурація зі зворотним магнітним полем (, FRC) – це тип плазмового пристрою, який вивчається як засіб для здійснення ядерного синтезу. Він утримує плазму на замкнутих лініях магнітного поля без центрального проникнення. У FRC плазма має форму самостабільного тора, подібного до кільця диму.

FRC тісно пов'язані з іншим самостабільним магнітним термоядерним пристроєм – сферомаком. Обидва належать до класу компактних тороїдальних термоядерних пристроїв. FRC зазвичай характеризуються більш витягнутою формою плазмової структури порівняно зі сферомаками: вони мають приблизну геометрію порожнистого циліндричного або «ковбасоподібного» об’єкта, тоді як сферомак має більш компактну, майже сферичну конфігурацію.

FRC були основною галуззю досліджень у 1960-х та 1970-х роках, але виникали проблеми з масштабуванням до практичних потрійних продуктів синтезу (цільові комбінації густини, температури та часу утримання). Інтерес повернувся у 1990-х роках та , FRC були активною дослідницькою сферою.

Історія Вперше FRC спостерігали в лабораторіях наприкінці 1950-х років під час експериментів з тета-пінчем зі зворотним фоновим магнітним полем. Оригінальна ідея приписується грецькому вченому та інженеру Ніколасу Кристофілосу, який розробив концепцію E-шарів для термоядерного реактора Astron.

Перші дослідження були проведені в Науково-дослідній лабораторії Військово-морських сил США у 1960-х роках. Було зібрано значну кількість даних, опубліковано понад 600 статей. Майже всі дослідження проводилися під час проєкту «Шервуд» у Національній лабораторії Лос-Аламоса (LANL) з 1975 по 1990 рік та протягом 18 років у Лабораторії фізики плазми Редмонда Вашингтонського університету з експериментом з великими s (LSX).

Пізніші дослідження проводилися в Науково-дослідній лабораторії ВПС (AFRL), Інституті технологій термоядерного синтезу (FTI) Університету Вісконсин-Медісон, Принстонській лабораторії фізики плазми, та Каліфорнійському університеті в Ірвайні.

Приватні компанії зараз вивчають FRC для виробництва електроенергії, зокрема General Fusion, TAE Technologies та Helion Energy.

Безелектродний двигун Лоренца (Electrodeless Lorentz Force Thruster, ELF), розроблений MSNW, був спробою спроектувати космічний рушійний пристрій. ELF був кандидатом у програмі NASA NextSTEP з розробки вдосконалених електричних рушійних установок, разом із X-3 Nested-Channel Hall Thruster та VASIMR до розпуску MSNW.

Застосування Основне застосування — для виробництва енергії термоядерним синтезом.

FRC також розглядається як перспективна технологія для дослідження далекого космосу не лише як можливе джерело ядерної енергії, а й як засіб прискорення робочого тіла до високих значень питомого імпульсу (Isp) у електричних і термоядерних ракетних двигунах. Цей напрям також викликав зацікавленість з боку NASA.

Порівняння

Виробництво термоядерної енергії шляхом утримання плазми магнітними полями є найефективнішим, якщо силові лінії не пронизують тверді поверхні, а замикаються в кола або тороїдальні поверхні. Концепції утримання основної лінії токамака та стеларатора роблять це в тороїдальній камері, що дозволяє значно контролювати магнітну конфігурацію, але вимагає дуже складної конструкції. Конфігурація з оберненим полем пропонує альтернативу, оскільки силові лінії замкнуті, забезпечуючи хороше утримання, але камера має циліндричну форму, що дозволяє спростити та полегшити конструкцію та обслуговування.

Конфігурації з оберненим полем та сферомаки разом відомі як компактні тороїди . Сферомаки та FRC відрізняються тим, що сферомак має додаткове тороїдальне поле. Це тороїдальне поле може проходити в тому ж або протилежному напрямку, що й обертова плазмаDolan, Thomas. Magnetic Fusion Technology. Vol. 2. New York City: Springer, 2012. Print.. У сферомаку сила тороїдального магнітного поля подібна до сили полоїдального поля.

Натомість, FRC має мало або взагалі не має тороїдальної складової поля та обмежений виключно полоїдальним полем. Відсутність тороїдального поля означає, що FRC не має магнітної спіральності та має високий бета-коефіцієнт. Високий бета-коефіцієнт робить FRC привабливим як термоядерний реактор та добре підходить для анейтронного палива через низьке необхідне магнітне поле. Сферомаки мають β ≈ 0,1, тоді як типовий FRC має β ≈ 1.

Формування

У сучасних експериментах з FRC плазмовий струм, який змінює напрямок магнітного поля, може бути індукований різними способами.

Коли конфігурація з оберненим полем формується за допомогою методу тета-пінчу (або індуктивного електричного поля), циліндрична котушка спочатку створює осьове магнітне поле. Потім газ попередньо іонізується, що «заморожується» в полі зміщення з магнітогідродинамічної точки зору, і, нарешті, осьове поле перевертається, отже, виникає «конфігурація з оберненим полем». На кінцях відбувається повторне з’єднання зміщеного поля з основним магнітним полем, унаслідок чого формуються замкнені силові лінії. Основне поле при цьому додатково посилюється, що спричиняє стиснення та нагрівання плазми, а також формує вакуумний прошарок між плазмою та стінкою камери.

Відомо, що нейтральні пучки збуджують струм у токамаках шляхом безпосереднього введення заряджених частинок. Клітковинні резонатори також можуть формуватися, підтримуватися та нагріватися шляхом застосування нейтральних пучків. У таких експериментах, як описано вище, циліндрична котушка створює однорідне осьове магнітне поле, після чого в камеру вводиться газ і відбувається його іонізація з утворенням фонової плазми. Далі в плазму вводяться нейтральні частинки, які також іонізуються. Важчі позитивно заряджені частинки формують струмове кільце, що створює власне магнітне поле, спрямоване протилежно до початкового зовнішнього поля, тобто спричиняє його реверсію.

Сферомаки – це конфігурації, подібні до FRC, зі скінченним тороїдальним магнітним полем. FRC утворюються шляхом злиття сферомаків протилежно спрямованих та скасовуючих тороїдальних полів.

Обертові магнітні поля також використовувалися для керування струмом. У таких експериментах, як зазначено вище, газ іонізується з утворенням плазми, а також створюється осьове магнітне поле. За допомогою зовнішніх магнітних котушок, розташованих перпендикулярно до осі установки, формується обертове магнітне поле, напрямок якого змінюється навколо цієї осі. Коли частота обертання такого поля перебуває між іонною та електронною гіроскопічними частотами, електрони плазми починають обертатися разом із магнітним полем (тобто «захоплюються» ним), створюючи електричний струм і змінюючи конфігурацію магнітного поля. У сучасніших дослідженнях для підтримання замкненої топології FRC застосовуються так звані обертові магнітні поля непарної парності. Аналітично було показано, що при дуже високій критичній пороговій величині обертового магнітного поля "непарної парності" осесиметричні рівноважні лінії магнітного поля втрачають замикання та принципово змінюють топологію поля.

Орбіти окремих частинок

FRC містять важливу та незвичайну особливість: «магнітний нуль» або кругову лінію, на якій магнітне поле дорівнює нулю. Це обов'язково так, оскільки всередині нуля магнітне поле вказує один напрямок, а поза ним — протилежний. Частинки далеко від нуля рухаються по замкнутих циклотронніх орбітах, як і в інших геометріях магнітного синтезу. Однак частинки, які перетинають нуль, рухаються не по циклотронній або круговій орбіті, а по бетатронній або орбіті, подібній до вісімки, оскільки кривизна орбіти змінює напрямок, коли вона перетинає магнітний нуль.

Оскільки орбіти частинок не є циклотронніми, моделі поведінки плазми, засновані на циклотронному русі, такі як магнітогідродинаміка (МГД), незастосовні в області навколо нуля. Розмір цієї області пов'язаний з s-параметром, або співвідношенням відстані між нулем і сепаратрисою, а також тепловим іонним гірорадіусом. При високих s більшість частинок не перетинають нуль, і цей ефект незначний. При низьких s, ~2, цей ефект домінує, і FRC називається «кінетичною», а не МГД.

Стабільність плазми При низькому s-параметрі більшість іонів усередині FRC рухаються по великих бетатронних орбітах (їхній середній гірорадіус приблизно вдвічі менший за розмір плазми), що типово для фізики прискорювачів, а не для фізики плазми. Ці FRC дуже стабільні, оскільки в плазмі не домінують звичайні частинки з малим гірорадіусом, як в інших термодинамічно рівноважних або нетеплових плазмах . Її поведінка не описується класичною магнітогідродинамікою, отже, немає альфвенівських хвиль і майже немає МГД-нестійкостей, незважаючи на їх теоретичне передбачення. Також вона дозволяє уникнути типового «аномального перенесення», тобто процесів, у яких відбувається надмірна втрата частинок або енергії.

, досліджувалося кілька нестабільностей, що залишалися:

Режими нахилу та зсуву. Ці нестабільності можна пом'якшити, включивши пасивний стабілізуючий провідник, або сформувавши дуже сплющену плазму (тобто дуже витягнуту плазму), або створивши самогенероване тороїдальне поле. Режим нахилу також був стабілізований в експериментах FRC шляхом збільшення іонних гірорадіусів. Магніторотаційна нестабільність. Цей режим викликає обертове еліптичне спотворення плазмової границі та може зруйнувати FRC, коли спотворена плазма контактує з камерою утримання. Успішні методи стабілізації включають використання квадрупольного стабілізуючого поля та вплив обертового магнітного поля (RMF).

Експерименти +Вибрані експерименти зі зворотним магнітним полем до 1988 рокуРікПриладЛокаціяДовжина приладу (м)Діаметр приладу (м)B-поле (тесли)Тиск заповнення (паскалі)Утримання (с)Вивчалося1959 -NRL0.100.0610.0013.332.E-06Анігіляція1961Scylla ILANL0.110.055.5011.333.E-06Анігіляція1962Scylla IIILANL0.190.0812.5011.334.E-06Обертання1962ThetatronCulham0.210.058.6013.333.E-06Стиснення1962Julich0.100.046.0030.661.E-06Формування, розрив1963Culham0.300.105.006.676.E-06Стиснення19640-PIIGarching0.300.055.3013.331.E-06Розрив, стиснення1965PharosNRL1.800.173.008.003.E-05Утримання, обертання1967CentaurCulham0.500.192.102.672.E-05Утримання, обертання1967JuliettaJulich1.280.112.706.672.E-05Розрив1971E-GGarching0.700.112.806.673.E-05Розрив, обертання1975BNКурчатовський інститут0.900.210.450.27 - 1.075.E-05Формування1979TORКурчатовський інститут1.500.301.000.27 - 0.671.E-04Формування1979FRX-ALASL1.000.250.600.53 - 0.933.E-05Утримання1981FRX-BLANL1.000.251.301.20 - 6.536.E-05Утримання1982STP-LNagoya1.500.121.001.203.E-05Обертання1982NUCTENihon2.000.161.006.E-05Утримання, обертання1982PIACEOsaka1.000.151.406.E-05Обертання1983FRX-CLANL2.000.500.800.67 - 2.673.E-04Утримання1984TRX-1MSNW1.000.251.000.67 -2.002.E-04Формування. утримання1984CTTXPenn S U0.500.120.4013.334.E-05Утримання1985HBQMU Wash3.000.220.500.53 - 0.933.E-05Формування1986OCTOsaka0.600.221.001.E-04Утримання1986TRX-2STI1.000.241.300.40 - 2.671.E-04Формування, утримання1987CSSU Wash1.000.450.301.33 - 8.006.E-05Повільне формування1988FRXC/LSMLANL2.000.700.600.27 - 1.335.E-04Формування, утримання1990LSXSTI/MSNW5.000.900.800.27 - 0.67Стабільність, утримання