Star Thrust Experiment

Star Thrust Experiment ( STX ) var ett plasmafysikexperiment vid University of Washingtons Redmond Plasma Physics Laboratory som pågick från 1999 till 2001. Experimentet studerade magnetisk plasmainneslutning för att stödja kontrollerade kärnfusionsexperiment . Specifikt var STX banbrytande för möjligheten att bilda en Field-reversed Configuration (FRC) genom att använda ett roterande magnetfält (RMF).

Bakgrund

Huvudartikel: Fält-omvänd konfiguration

FRC är av intresse för plasmafysiksamhället på grund av deras inneslutningsegenskaper och deras ringa storlek. Medan de flesta stora fusionsexperiment i världen är tokamaks , ses FRC som ett gångbart alternativ på grund av deras högre Beta , vilket betyder att samma effekt kan produceras från en mindre volym plasma och deras goda plasmastabilitet .

Historia

STX byggdes 1998. STX motiverades av en upptäckt från ett icke-relaterat experiment; några år tidigare hade Large-S Experiment (LSX) visat förekomsten av en kinetiskt stabiliserad parameterregim som verkade fördelaktig för en fusionsreaktor. Men LSX-experimentet bildade FRCs på ett kraftkrävande, våldsamt sätt som kallas en theta-pinch .

Det amerikanska energidepartementet finansierade programmet Translation Confinement Sustainment (TCS) som en uppföljning på LSX-programmet, men det hade ännu inte börjat när STX började fungera. Syftet med TCS var att se om roterande magnetfält kunde upprätthålla FRCs födda av theta-pinch-metoden, men frågan kvarstod om RMF ensam kunde bilda FRC. I så fall förväntades detta vara ett lättare, mer effektivt sätt för FRC-bildning. Detta var frågan som STX var tänkt att svara på.

STX var samtida med följande RMF-FRC-experiment: TCS , PFRC och PV Rotamak .

Relevans för framdrivning av rymdfarkoster

NASA finansierade konstruktionen av experimentet. Detta beror på att FRC-baserade fusionsreaktorer verkar vara väl lämpade för fusionsraketer i rymden, särskilt de som bildas av RMF. Detta koncept liknar Direct Fusion Drive , ett aktuellt forskningsprojekt för att skapa en fusionsraket från en RMF-driven FRC-fusionsreaktor.

Anordning

STX-vakuumkärlet var tillverkat av kvarts, eftersom det behövde vara icke-ledande för att tillåta RMF att passera igenom. Den var 3 meter lång och 40 centimeter i diameter. Det axiella magnetfältet skapades av elektromagnetiska spolar och var 100 Gauss i styrka. RMF skapades av en ny solid-state RF-förstärkare som designades för att vara kraftfullare och mer effektiv än tidigare Rotamak-experiment. RMF-systemet som kördes arbetade vid 350 kHz, vid 2 MW effekt, långt under dess designklassificering.

För att mäta plasmans beteende försågs STX-experimentet med en insättbar magnetisk sond, en rad diamagnetiska slingor, en interferometer, spektroskopi med synligt ljus och en trippel Langmuir-sond.

Bidrag

STX-experimentet kunde använda RMF för att uppnå temperaturer på 40 eV, vilket är varmare än solens yta men fortfarande en faktor 500 från de temperaturer som krävs i en fusionsreaktor. STX-experimentet kunde uppnå plasmadensitet på $5\x 10^{12}$ partiklar per kubikcentimeter, vilket är en faktor 200 från de temperaturer som krävs i en fusionsreaktor.

Medan STX designades för att demonstrera bildandet av en FRC med RMF, hade den större framgång i att demonstrera uppbyggnaden och upprätthållandet av FRC skapade via theta-pinch-metoden.

Brister

En FRC-plasma är svårare att värma vid låg temperatur. På grund av detta designades RMF-systemet på STX för att producera dussintals MW i början av urladdningen för att snabbt värma plasmat bortom denna så kallade "strålningsbarriär" till hundratals eV temperatur, där plasman kunde vara mer lätt upprätthållen. Problem med den nya solid-state RF-förstärkaren ledde emellertid till att endast en bråkdel av denna effekt var tillgänglig för uppvärmning. Som ett resultat, snarare än de hundratals eV som hoppades på, uppnåddes endast 40 eV temperatur.

Dessutom hoppades man från början på att plasman skulle kunna hållas borta från vakuumkärlets väggar genom att använda kopparslingor med låg motståndskraft som passade tätt runt kärlet som kallas "fluxkonserverare". Emellertid observerades plasman ofta vara i kontakt med kvartskärlet med en innerdiameter på 40 cm.

Arv

Fynden av STX användes för att förbättra TCS -experimentet, som så småningom visade FRC-bildning enbart från RMF. TCS fortsatte med att värma plasman till 350 eV.

Idén att använda en RMF-driven FRC för att skapa en fusionsraket består än i dag. Ett exempel är Direct Fusion Drive .