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 estelarizador tipo torsatrón con una bobina helicoidal externa enrollada continuamente 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 se encuentran en un toro . Estos campos magnéticos constan de dos componentes, un componente apunta en la dirección que recorre el camino más largo alrededor del toro (la dirección toroidal), mientras que el otro componente apunta en la dirección que es el camino más corto alrededor del toro (la dirección poloidal). La combinación de los dos componentes crea un campo con forma helicoidal. (Puedes imaginar tomar un palo flexible de bastón de caramelo y conectar los dos extremos). Los dispositivos de tipo Stellarator generan todos los campos magnéticos necesarios con bobinas magnéticas externas. Esto es diferente de los dispositivos tokamak donde el campo magnético toroidal es generado por bobinas externas y el campo magnético poloidal es producido por una corriente eléctrica que fluye a través del plasma.
Un dibujo que muestra el recipiente de vacío CTH (mostrado en gris) y las bobinas de campo magnético. HF (rojo): campo helicoidal, TF: campo toroidal, OH1,2,3: bobinas de transformador óhmico, MVF: campo vertical principal, TVF: campo vertical de ajuste, SVF: campo vertical de modelado, RF: campo radial, EF: campo de equilibrio, ECC: bobina de corrección de errores
El dispositivo CTH
El campo magnético principal en CTH es generado por una bobina helicoidal enrollada continuamente. Un conjunto auxiliar de diez bobinas produce un campo toroidal muy parecido al de un tokamak . Este campo toroidal se utiliza para variar la transformada rotacional de la estructura del campo magnético de confinamiento. CTH normalmente opera en un campo magnético de 0,5 a 0,6 tesla en el centro del plasma. CTH puede funcionar como un estelarizador puro , pero también tiene 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, cambia la transformada rotacional del campo magnético. Los investigadores de CTH estudian qué tan bien se confina el plasma mientras varían la fuente de la transformada rotacional de bobinas externas a la corriente de plasma.
El recipiente de vacío del CTH está hecho de Inconel 625 , que tiene una resistencia eléctrica más alta y una permeabilidad magnética más baja que el acero inoxidable. La formación y el calentamiento del plasma se logran mediante un calentamiento por resonancia de ciclotrón electrónico (ECRH) de 14 GHz y 10 kW. Recientemente se ha instalado un girotrón de 200 kW en el CTH. El calentamiento óhmico del CTH tiene una potencia de entrada de 100 kW.
Operaciones
Las temperaturas de los electrones de los plasmas suelen ser de hasta 200 electronvoltios con densidades de electrones de hasta 5 × 1019m − 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 proporciona una lista de subsistemas necesarios para el funcionamiento de CTH.
Un conjunto de 10 motores GE752 con volantes de inercia de 1 tonelada acoplados para almacenar energía y producir corrientes para la generación de campos magnéticos.
un banco de capacitores de 2 kV, 50 μF y un banco de capacitores de 1 kV, 3 F para alimentar el sistema óhmico
Un sistema de adquisición de datos de 640 canales
Diagnóstico
El CTH cuenta con un amplio conjunto de herramientas de diagnóstico para medir las propiedades del plasma y los campos magnéticos. A continuación se ofrece una lista de las principales herramientas de diagnóstico.
Interferómetro de 4 canales para mediciones de densidad electrónica
Cámara de rayos X de dos colores para tomografía y perfil de temperatura [4]
Últimas superficies de flujo magnético cerradas reconstruidas por el código V3FIT sin corriente de plasma (izquierda) y con corriente de plasma (derecha). La coloración representa la intensidad del campo magnético, siendo el rojo el campo más fuerte y el azul el más débil. Las líneas de campo de muestra se muestran en blanco.
V3FIT [5] es un código para reconstruir el equilibrio entre el plasma y el campo magnético de confinamiento en casos en los que el campo magnético es de naturaleza toroidal, pero no axisimétrico como es el caso de los equilibrios tokamak. Debido a que los stellarators 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 de plasma y datos de los diversos diagnósticos 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 de plasma, la densidad y la emisividad SXR. Los datos del experimento CTH se utilizaron y continúan utilizándose como banco de pruebas para el código V3FIT, que también se ha utilizado para la reconstrucción del equilibrio en los estellaradores Helically Symmetric eXperiment (HSX), Large Helical Device (LHD) y Wendelstein 7-X (W7-X), y en los pinches de campo invertido Reversed-Field eXperiment (RFX) y Madison Symmetric Torus (MST) .
Objetivos y logros principales
El CTH ha hecho y continúa haciendo contribuciones fundamentales a la física de los estelarizadores portadores de corriente. [7] [8] [9] Los investigadores del CTH han estudiado los límites y caracterizaciones de disrupción en función de la transformación rotacional aplicada externamente (debido a bobinas magnéticas externas) para:
Los estudiantes y el personal del CTH trabajan en una serie de proyectos de investigación experimental y computacional. Algunos de ellos se llevan a cabo exclusivamente en el centro, mientras que otros se realizan en colaboración con otras universidades y laboratorios nacionales de los Estados Unidos y del extranjero. Entre los proyectos de investigación actuales se incluyen los siguientes:
Estudios del límite de densidad en función de la transformada 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 Coherence Imaging en CTH y en el stellarator W-7X
Estudios de transporte de iones pesados en el estelarizador W-7X
Estudio de las regiones de transición entre plasmas totalmente ionizados y plasmas dominados por neutralidad
Implementación de un 4º canal para el sistema de interferómetro
El CTH es el tercer dispositivo torsatrón que se construye en la Universidad de Auburn. Los dispositivos de confinamiento magnético anteriores construidos en la universidad fueron:
El Torsatron de Auburn (1983-1990)
El Torsatron de Auburn tenía una bobina helicoidal de l=2, m=10. El recipiente de vacío tenía un radio mayor de R o = 0,58 m con 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 extraído de un horno microondas. El Torsatron de Auburn se utilizó para estudiar la física básica del plasma y los diagnósticos, y las técnicas de mapeo de superficies magnéticas [12] [13]
El Torsatron compacto de Auburn (1990-2000)
El Torsatron Compact 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 modificó la transformada rotacional. El radio mayor del recipiente de vacío fue 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 fue |B| 0,1 T. Los plasmas CAT se formaron con ECRH utilizando una fuente de magnetrón de 2,45 GHz, 6 kW y baja ondulación. 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:
^ Hartwell, GJ; Knowlton, SF; Hanson, JD; Ennis, DA; Maurer, DA (2017). "Diseño, construcción y funcionamiento del híbrido toroidal compacto". Ciencia y tecnología de la fusión . 72 (1): 76. Bibcode :2017FuST...72...76H. doi :10.1080/15361055.2017.1291046. S2CID 125968882.
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^ Bader, Aaron (ORCID:000000026003374X); Hegna, CC; Cianciosa, Mark R. (ORCID:0000000162115311); Hartwell, GJ (16 de marzo de 2018). "Curvatura magnética mínima para desviadores resilientes utilizando geometría híbrida toroidal compacta". Física del plasma y fusión controlada . 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 . Consultado el 27 de septiembre de 2019 .{{cite journal}}: CS1 maint: nombres numéricos: lista de autores ( enlace )
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Enlaces externos
Sitio web de CTH Archivado el 13 de agosto de 2019 en Wayback Machine
