Ein stellarator ist ein Gerät, das verwendet ist, um ein heißes Plasma mit magnetischen Feldern zu beschränken, um eine kontrollierte Kernfusionsreaktion zu stützen. Es ist eines der frühsten kontrollierten Fusionsgeräte, die zuerst von Lyman Spitzer 1950 erfunden sind und im nächsten Jahr daran gebaut sind, was später das Plasmaphysik-Laboratorium von Princeton geworden ist. Der Name bezieht sich auf die Möglichkeit, die Macht-Quelle der Sonne, eines Sterngegenstands anzuspannen.

Stellarators waren in den 1950er Jahren und 60er Jahren populär, aber die viel besseren Ergebnisse tokamak Designs haben zu ihnen geführt, von Bevorzugung in den 1970er Jahren fallend. Mehr kürzlich, in den 1990er Jahren, haben Probleme mit dem tokamak Konzept zu erneuertem Interesse am stellarator Design geführt, und mehrere neue Geräte sind gebaut worden. Einige wichtige moderne Stellarator-Experimente sind Wendelstein 7-x, in Deutschland und dem Großen Spiralenförmigen Gerät in Japan. Plasmaphysik-Laboratorium von Princeton hat angefangen, einen neuen stellarator, NCSX zu bauen, aber bezüglich 2008 wurde Arbeit http://www.princeton.edu/main/news/archive/S21/15/04A97/index.xml?section=topstories wegen hoher Kosten aufgegeben.

Beschreibung

Frühe Fusionsforschung ist allgemein zwei Hauptlinien der Studie gefolgt; Geräte, die auf der kurzen Kompression des Fusionsbrennstoffs zu hohen Speicherdichten wie die Kneifen-Geräte basiert haben, die in erster Linie im Vereinigten Königreich und Geräte studieren werden, die niedrigere Dichten, aber längere Beschränkungszeiten, wie der magnetische Spiegel und stellarator verwendet haben. In den späteren Systemen beschränkte das Schlüsselproblem das Plasma seit langen Zeiten ohne das heißeste, wertvollste, Partikeln, die dem Gerät entfliehen.

Da Plasma elektrisch beladen, und so magnetisch wird, kann es durch eine passende Einordnung von magnetischen Feldern beschränkt werden. Das einfachste, um zu verstehen, ist ein Solenoid, aus einer Spirale der um eine zylindrische Unterstützung gewickelten Leitung bestehend. Ein Plasma innerhalb des Solenoides wird eine innerliche Kraft erfahren, die es im Zentrum der Spirale beschränken würde. Jedoch in diesem Fall würde das Plasma keine Kraft entlang der langen Achse sehen, und würde die Enden des Solenoides und der Flucht schnell überfluten.

Eine Lösung dieses Problems ist, einfach das Solenoid ringsherum in einen Ring zu biegen, die Enden schließend. Jedoch in diesem Fall ist das magnetische Feld nicht mehr gleichförmig. Die elektrischen windings am Innenrand des Toroids sind zusammen, und weiter einzeln am Außenrand näher. Das führt zu einem schwächeren Feld auf der Außenseite als das Innere. Eine Partikel, die den Ring am genauen Zentrum des Rings in Umlauf setzt, wird eine erwogene Kraft sehen, aber das ein am Innenrand nähere Zirkulieren wird eine Kraft nach unten sehen, während das ein an der Außenseite nähere Zirkulieren eine nach oben gerichtete Kraft sehen wird. Diese Partikeln werden schließlich aus dem Beschränkungsgebiet treiben.

Die Neuerung von Spitzer war eine Änderung in der Geometrie. Er hat vorgeschlagen, den Ring mit geraden Abteilungen zu erweitern, um eine Rennbahn-Gestalt zu bilden, und dann ein Ende durch 180 Grade zu drehen, um eine Abbildung 8 zu erzeugen, hat Gerät gestaltet. Wenn eine Partikel außerhalb des Zentrums auf einer der gekrümmten Abteilungen ist, als es durch das gerade Gebiet fließt und in die andere gekrümmte Abteilung es jetzt innerhalb des Zentrums ist. Das bedeutet, dass dem nach oben gerichteten Antrieb auf einer Seite durch die fallende Tendenz auf dem anderen entgegengewirkt wird.

Um den Tuben zu erlauben, sich ohne das Schlagen zu treffen, wurden die Ring-Abteilungen auf jedem Ende ein bisschen rotieren gelassen, so wurden die Enden nach einander nicht ausgerichtet. Diese Einordnung war weniger als vollkommen, weil eine Partikel auf dem inneren Teil an einem Ende am Außenteil am anderen, aber an einem anderen Punkt nicht enden würde, der von der vollkommenen Position wegen der Neigung der zwei Enden rotieren gelassen ist. Infolgedessen ist der stellarator nicht "vollkommen", in Bezug auf den Antrieb zu annullieren, aber das Nettoergebnis ist zu so außerordentlich reduzieren Antrieb, dass lange Beschränkungszeiten möglich geschienen sind.

In einem allgemeineren Sinn hat das stellarator Design zum Ziel, Gebiete mit sich unterscheidenden magnetischen Feldern zu verwenden, um die Nettokräfte über den Ring als Ganzes zu annullieren. Da die Plasmapartikeln das System in Umlauf setzen, annullieren diese sich ändernden Felder den Nettoantrieb. Das Konzept von Spitzer hat die mechanische Einordnung des Beschränkungsgebiets verwendet, dieses Ziel zu erreichen, während modernere Systeme eine Vielfalt von mechanischen Gestalten oder Magneten zu demselben Ende verwenden. Eine allgemeine Einordnung verwendet eine Reihe von Rollen, die in einer Spirale um den Toroid eingeordnet sind, ein elektrisches Analogon des mechanischen Lay-Outs schaffend.

Konfigurationen von stellarator

Torsatron: Eine stellarator Konfiguration mit dauernden spiralenförmigen Rollen. Es kann auch die dauernden Rollen durch mehrere getrennte Rollen ersetzen lassen, die ein ähnliches Feld erzeugen.

Heliotron: Eine stellarator Konfiguration, in der eine spiralenförmige Rolle verwendet wird, um das Plasma zusammen mit einem Paar von PF-Rollen zu beschränken, um ein vertikales Feld zur Verfügung zu stellen. TF Rollen können auch verwendet werden, um die magnetischen Oberflächeneigenschaften zu kontrollieren.

Heliac: (Wörtlich) spiralenförmige Achse stellarator; ein stellarator, in dem die magnetische Achse (und Plasma) einem spiralenförmigen Pfad folgt, um eine toroidal Spirale aber nicht eine einfache Ringgestalt zu bilden. Das gedrehte Plasma veranlasst Drehung in den magnetischen Feldlinien, Antrieb-Annullierung zu bewirken, und kann normalerweise mehr Drehung zur Verfügung stellen als Torsatron oder Heliotron, besonders in der Nähe vom Zentrum des Plasmas (magnetische Achse). Ursprünglicher Heliac besteht nur aus kreisförmigen Rollen, und der flexible heliac (H-1NF, TJ-II, TU-Heliac) fügt eine kleine spiralenförmige Rolle hinzu, um der Drehung zu erlauben, durch einen Faktor von bis zu 2 geändert zu werden.

Helias: Dafür (spiralenförmig hat stellarator vorgebracht). Eine stellarator Konfiguration, die eine optimierte Modulrolle verwertet, hat entworfen veranlasst, gleichzeitig hohes Plasma, niedrige Pfirsch-Schluter Ströme und gute Beschränkung von energischen Partikeln zu erreichen; d. h., Alphateilchen für Reaktordrehbücher. Der Helias ist vorgeschlagen worden, um das viel versprechendste stellarator Konzept für ein Kraftwerk, mit einem Modultechnikdesign und optimiertem Plasma, MHD und magnetischen Feldeigenschaften zu sein. Das Gerät von Wendelstein VII-X basiert auf einer fünf Feldperiode Konfiguration von Helias.

Vergleich zu tokamaks

Der tokamak stellt die erforderliche Drehung den magnetischen Feldlinien nicht durch die Manipulierung des Feldes mit Außenströmen, aber durch das Fahren eines Stroms durch das Plasma selbst zur Verfügung. Die Feldlinien um die aktuelle Plasmavereinigung mit dem toroidal Feld, um spiralenförmige Feldlinien zu erzeugen, die sich um den Ring in beiden Richtungen einhüllen.

Obwohl sie auch eine toroidal magnetische Feldtopologie haben, sind stellarators von tokamaks darin verschieden sie sind nicht scheitelwinklig symmetrisch. Sie haben stattdessen eine getrennte Rotationssymmetrie häufig fünffach wie ein regelmäßiges Pentagon.

Es wird allgemein behauptet, dass die Entwicklung von stellarators weniger fortgeschritten ist als tokamaks, obwohl die innere Stabilität, die sie zur Verfügung stellen, genügend gewesen ist, eine aktive Entwicklung dieses Konzepts zu verfolgen.

Die dreidimensionale Natur des Feldes, des Plasmas und des Behälters macht es viel schwieriger, entweder theoretische oder experimentelle Diagnostik mit stellarators zu tun. Es ist viel härter, einen divertor zu entwerfen (die Abteilung der Wand, die die Auspuffmacht vom Plasma erhält) in einem stellarator, sind die magnetischen Rollen aus dem Flugzeug (üblich in vielen modernen stellarators und vielleicht allen zukünftigen) viel härter zu verfertigen als die einfachen, planaren Rollen, die für einen tokamak genügen, und die Anwendung des magnetischen Feldvolumens und der Kraft allgemein schwächer ist als in tokamaks.

Jedoch verlangen stellarators, verschieden von tokamaks, keinen toroidal Strom, so dass der Aufwand und die Kompliziertheit des aktuellen Laufwerkes und/oder der Verlust der Verfügbarkeit und die periodischen Betonungen der pulsierten Operation vermieden werden können, und es keine Gefahr von toroidal aktuellen Störungen gibt. Es könnte möglich sein, diese zusätzlichen Grade der Designfreiheit zu verwenden, einen stellarator auf Weisen zu optimieren, die mit tokamaks nicht möglich sind.

Neue Ergebnisse

Die Absicht von magnetischen Beschränkungsgeräten ist, Energie langsam über ein magnetisches Feld zu transportieren. Geräte von Toroidal sind relativ erfolgreich, weil die magnetischen durch die Partikeln gesehenen Eigenschaften durchschnittlich sind, als sie um den Ring reisen. Die Kraft des Feldes, das durch eine Partikel jedoch gesehen ist, ändert sich allgemein, so dass einige Partikeln durch die Spiegelwirkung gefangen werden. Diese Partikeln werden nicht im Stande sein, die magnetischen Eigenschaften so effektiv im Durchschnitt zu betragen, die auf vergrößerten Energietransport hinauslaufen werden. Im grössten Teil von stellarators sind diese Änderungen in der Feldkraft größer als in tokamaks, der ein Hauptgrund ist, dass der Transport in stellarators dazu neigt, höher zu sein, als in tokamaks.

Die Universität von elektrotechnischem Professor von Wisconsin David Anderson und Forschungshelfer John Canik hat kürzlich bewiesen, dass das Spiralenförmig Symmetrische Experiment (HSX) diese Hauptbarriere in der Plasmaforschung überwinden kann. Der HSX ist der erste stellarator, um ein quasisymmetrisches magnetisches Feld zu verwenden. Die Mannschaft hat entworfen und hat den HSX mit der Vorhersage gebaut, dass Quasisymmetrie Transport reduzieren würde. Da sich die letzte Forschung der Mannschaft zeigt, ist es genau, was sie tut. "Das ist die erste Demonstration, dass Quasisymmetrie arbeitet, und Sie wirklich die Verminderung des Transports messen können, den Sie bekommen," sagt Canik.

Siehe auch

• Liste von Plasma (Physik) Artikel

Links

• Stellarator Nachrichten von ORNL
• Kugelförmiger Stellarator
• Preisgünstiger Stellarator