Beta (física del plasma)

La beta de un plasma, simbolizado por β, es la relación de la presión de plasma (p = n kB T) a la presión magnética (PMAG = B² / 2μ0). El término se usa comúnmente en los estudios sobre el Sol y el campo magnético de la Tierra, y en el campo de la fusión powerdesigns.

En el campo de la energía de fusión, plasma a menudo se limita el uso de grandes imanes superconductores que son muy caros. Puesto que la temperatura de las escalas de combustible con presión, reactores intentan llegar a las presiones más altas posible. Los costos de imanes grandes escalas más o menos como β½. Por lo tanto beta puede ser pensado como una relación del dinero con el dinero en un reactor, y beta puede ser pensado (muy aproximadamente) como indicador de la eficiencia económica reactor. Para hacer una reactor económicamente útiles, se necesitan betas mejor que 5%.

El mismo término también se utiliza cuando se habla de la interacción del viento solar con varios campos magnéticos. Por ejemplo, la versión beta en la corona del Sol es de aproximadamente 1%.

Antecedentes

Fundamentos de fusión

La fusión nuclear se produce cuando los núcleos de los dos átomos se aproximan estrechamente suficiente para que la fuerza nuclear para tirar de ellos en un único núcleo más grande. La fuerza fuerte es opuesta por la fuerza electrostática creada por la carga positiva de los protones de los núcleos, empujando los núcleos separados. La cantidad de energía que se necesita para superar esta repulsión se conoce como theCoulomb barrera. La cantidad de energía liberada por la reacción de fusión cuando se produce puede ser mayor o menor que la barrera de Coulomb. Generalmente, los núcleos más ligeros con un menor número de protones y un mayor número de neutrones tendrán el mayor relación de energía liberada a la energía requerida, y la mayoría de la investigación de energía de fusión se centra en el uso de deuterio y tritio, dos isótopos del hidrógeno.

Incluso el uso de estos isótopos, la barrera de Coulomb es lo suficientemente grande como para que los núcleos deben recibir grandes cantidades de energía antes de que se fusionarán. Aunque hay un número de maneras de hacer esto, la más simple es simplemente calentar la mezcla de gas, que, de acuerdo con la distribución de Maxwell-Boltzmann, dará lugar a un pequeño número de partículas con la energía requerida incluso cuando el gas en su conjunto es relativamente "fría" en comparación con la energía barrera de Coulomb. En el caso de la mezcla de D-T, la fusión rápida se producirá cuando el gas se calienta a unos 100 millones de grados.

Confinamiento

Esta temperatura es mucho más allá de los límites físicos de cualquier contenedor de material que puedan contener los gases, lo que ha dado lugar a un número de diferentes enfoques para resolver este problema. El enfoque principal se basa en la naturaleza del combustible a altas temperaturas. Cuando los gases de combustible de fusión se calientan a las temperaturas requeridas para la fusión rápida, serán completelyionized en un plasma, una mezcla de electrones y los núcleos que forman un gas a nivel mundial neutral. A medida que se cargan las partículas dentro del gas, lo que les permite ser manipulados por los campos eléctricos o magnéticos. Esto da lugar a la mayoría de los conceptos de fusión controlada.

Incluso si se alcanza esta temperatura, el gas estará constantemente la pérdida de energía a su entorno (de reflexión). Esto da lugar al concepto de la "tiempo de confinamiento", la cantidad de tiempo que el plasma se mantiene a la temperatura requerida. Sin embargo, las reacciones de fusión pueden depositar su energía de nuevo en el plasma, el calentamiento de una copia de seguridad, que es una función de la densidad del plasma. Estas consideraciones se combinan en el criterio de Lawson, o su forma moderna, la triple producto de fusión. Con el fin de ser eficientes, la tasa de la energía de fusión se deposita en el reactor idealmente ser mayor que la tasa de pérdida para el entorno, una condición conocida como "encendido".

Enfoque de la fusión por confinamiento magnético

En los diseños de reactores de fusión por confinamiento magnético (MCF), el plasma está confinado dentro de una cámara de vacío utilizando una serie de campos magnéticos. Estos campos se crean normalmente utilizando una combinación de electroimanes y las corrientes eléctricas que se ejecutan a través del propio plasma. Los sistemas que utilizan sólo los imanes se construyen generalmente usando el enfoque stellarator, mientras que los que utilizan actual sólo son las máquinas de arrastre. El enfoque más estudiado desde los años 1970 es el tokamak, donde los campos generados por los imanes externos y corriente interna son aproximadamente iguales en magnitud.

En todas estas máquinas, la densidad de las partículas en el plasma es muy baja, a menudo descrito como un "pobre de vacío". Esto limita su enfoque de la triple producto a lo largo del eje de temperatura y tiempo. Esto requiere que los campos magnéticos del orden de decenas de Teslas, corrientes en el amperio mega, y tiempos de confinamiento del orden de decenas de segundos. La generación de corrientes de esta magnitud es relativamente simple, y se han utilizado una serie de dispositivos de grandes bancos de condensadores para generadores homopolares. Sin embargo, la generación de los campos magnéticos requeridos es otro tema, que requiere generalmente caros imanes superconductores. Para cualquier diseño de reactor dada, el coste es generalmente dominada por el costo de los imanes.

Beta

Dado que los imanes son un factor dominante en el diseño del reactor, y que la densidad y la temperatura se combinan para producir la presión, la relación de la presión del plasma a la densidad de energía magnética se convierte naturalmente una figura de mérito útil al comparar diseños MCF. En efecto, la relación ilustra la eficacia con un diseño limita su plasma. Esta relación, beta, es ampliamente utilizado en el campo de fusión:

se mide normalmente en términos de que el campo magnético total. Sin embargo, en cualquier diseño en el mundo real, la intensidad del campo varía con el volumen del plasma, por lo que para ser específicos, la beta promedio se refiere a veces como la "toroidal beta". En el tokamak diseñar el campo total es una combinación del campo toroidal externo y el poloidal inducida por la corriente, por lo que el "poloidal beta" a veces se utiliza para comparar la fuerza relativa de estos campos. Y a medida que el campo magnético externo es el conductor del coste del reactor, "beta externa" se utiliza para considerar sólo esta contribución.

Límite beta troyon

Para un plasma estable,

es siempre menor que 1 (de lo contrario se colapsaría). Idealmente, un dispositivo MCF querría acercarse a este límite lo más cerca posible, ya que esto implicaría la cantidad mínima de fuerza magnética necesaria para el confinamiento. En la práctica, es difícil de conseguir incluso cerca de esto, y máquinas de producción generalmente operan en torno a las versiones beta 0.1, o el 10%. El récord se estableció por el dispositivo START en 0,4, o 40%.

Estas betas alcanzables bajas se deben a inestabilidades en el plasma generado a través de la interacción de los campos y el movimiento de las partículas debido a la corriente inducida. A medida que aumenta la cantidad de corriente en relación con el campo externo, estas inestabilidades vuelven incontrolables. En experimentos de arrastre principios del actual dominaron los componentes de campo y las inestabilidades de pliegues y embutidos eran comunes, hoy en día se refiere colectivamente como "bajo" n inestabilidades. A medida que aumenta la fuerza relativa del campo magnético externo, estas inestabilidades simples son amortiguadas, pero a un campo crítico invariablemente aparecerán otros "alta n inestabilidades", en particular el modo de globo. Para cualquier diseño de reactor dado, existe un límite a la beta se puede sostener. Como beta es una medida de mérito económico, un reactor práctico debe ser capaz de sostener una beta por encima de un valor crítico, que se calcula en alrededor de 5%.

A través de la década de 1980 la comprensión de los de alta n inestabilidades creció considerablemente. Shafranov y Yurchenko publicaron por primera vez sobre el tema en 1971 en una discusión general sobre el diseño Tokamak, pero fue el trabajo de Wesson y Sykes en 1983 y en 1984 Francis Troyon que desarrolló estos conceptos totalmente. consideraciones de Troyon, o el "límite Troyon", coinciden de cerca el funcionamiento del mundo real de las máquinas existentes. Se ha convertido ya tan ampliamente utilizado que es a menudo conocido simplemente como el límite beta.

El límite Troyon está dada por:

es el campo magnético externo, y a es el radio menor de la tokamak (ver torus para una explicación de las direcciones). Se determinó numéricamente, y normalmente se da como 0.028 si se mide en amperios de mega. Sin embargo, también es común el uso de 2,8 si

es expresado cómo un porcentaje.

Teniendo en cuenta que el límite Troyon sugirió una

alrededor de 2,5 a 4%, y un reactor práctico tenía que tener una alrededor del 5%, el límite Troyon tenía un problema grave cuando se presentó. Sin embargo, se encontró que

cambió drásticamente con la forma de la plasma, y sistemas no circulares tendrían un rendimiento mucho mejor. Los experimentos en el DIII-Dmachine (el segundo D se refiere a la forma en sección transversal del plasma) demostraron un mayor rendimiento, y el diseño tokamak thespherical superaron el límite Troyon en alrededor de 10 veces.

Astrofísica

Beta también se utiliza a veces cuando se habla de la interacción del plasma en el espacio con diferentes campos magnéticos. Un ejemplo común es la interacción del viento solar con el campo magnético del Sol o la Tierra. En este caso, las betas de estos fenómenos naturales son generalmente mucho más pequeños que los observados en los diseños de reactores; la corona del Sol tiene una beta alrededor del 1%. Las regiones activas tienen mucho mayor beta, más de 1, en algunos casos, lo que hace que la zona inestable.

Ver también

• List of plasma (physics) articles

• plasma (physics)