Μετατροπείς ιονισμού πλάσματος MHD
ΜΑΓΝΗΤΟΥΔΡΟΔΥΝΑΜΙΚΗ. - Νέου τύπου μετατροπείς μαγνητοϋδροδυναμικής: συσκευές επαγωγής. Σημείωση (*) από Jean-Pierre Petit και Maurice Viton, παρουσίαση από τον κ. André Lichnérowicz. CRAS 1976.
...Παρουσιάζεται ένας νέος τύπος δίσκου MHD επαγωγής με ελεγχόμενο ιονισμό. Με εφοδιασμό αυτόνομης ηλεκτρικής πηγής, αυτή η συσκευή μπορεί να οδηγήσει στη δημιουργία ενός MHD αεροδυναμικού. Προτείνονται λύσεις για την περιορισμένη συγκέντρωση του πλάσματος στην επιφάνεια.
...Παρουσιάζεται ένας νέος επαγωγικός MHD επιταχυντής, δίσκου σχήματος, με ελεγχόμενο ιονισμό. Συνδεδεμένος με μια ελαφριά και ισχυρή ηλεκτρική πηγή, θα μπορούσε να γίνει ένα MHD αεροδυναμικό. Προτείνονται λύσεις για τον περιορισμό του πλάσματος στην επιφάνεια.
Εισαγωγή. Σε μία προηγούμενη εισήγηση (1) είχαν περιγραφεί μετατροπείς MHD με ιδιαίτερη γεωμετρία, που χρησιμοποιούσαν ένα ισχυρό φαινόμενο Hall. Κάποιες από αυτές τις συσκευές βρίσκονται σήμερα υπό πειραματική δοκιμή.
...Στην παρούσα εισήγηση πρόκειται για έναν MHD επιταχυντή με εναλλασσόμενο μαγνητικό πεδίο. Θεωρούμε ένα δίσκο από μονωτικό υλικό, εφοδιασμένο στην περιφέρειά του με εναλλασσόμενο πηνίο που διαρρέεται από εναλλασσόμενο ρεύμα (σχήμα 1). Η μεταβολή του μαγνητικού πεδίου προκαλεί τη δημιουργία επαγόμενων κυκλικών ρευμάτων στο περιβάλλον του δίσκου. Υποθέτουμε ότι το φαινόμενο Hall είναι αμελητέο. Τα επαγόμενα ρεύματα συνδυάζονται με την προσωρινή τιμή του πεδίου B για να δημιουργήσουν ακτινικές δυνάμεις, εναλλάξ κεντροφόβες και κεντρομόλες. Λόγω της συμμετρίας του συστήματος, αυτές οι δυνάμεις έχουν μόνο επίδραση σε ακτινική διατάραξη, ενώ το ολικό ποσό κίνησης είναι μηδέν σε ένα κύκλο. Η ένταση του επαγόμενου ρεύματος εξαρτάται από την κορυφαία τιμή του πεδίου B και την περίοδο T του. Κάτω από ένα συγκεκριμένο όριο του λόγου B/T, τα επαγόμενα ρεύματα παραμένουν μικρά.
Επιταχυντές με έλεγχο ιονισμού. - Αυτό δεν ισχύει πια αν εφοδιάσουμε τα τοιχώματα του δίσκου με οποιοδήποτε σύστημα που μπορεί να προκαλέσει ιονισμό (σχήμα 2). Με αυτή τη συσκευή, τώρα, μπορούμε να ελέγξουμε την ένταση των επαγόμενων ρευμάτων σε κάθε σημείο γύρω από την περιφέρεια του επιταχυντή. Τώρα, ρυθμίζουμε την τροφοδοσία των ιονιστών σύμφωνα με το σχήμα 3. Θέτουμε τις συνθήκες όπου ο χρόνος αποκατάστασης του ιονισμού είναι μικρότερος από την περίοδο T του πεδίου B.
...Είναι εύκολο να δούμε ότι, όταν εμφανίζονται, οι ακτινικές δυνάμεις Lorentz είναι κεντροφόβες στην πάνω πλευρά του δίσκου και κεντρομόλες στην κάτω. Το ιονισμένο αέριο θα επιβαρείται με παλμικό τρόπο, και θα προκληθεί ροή ρευστού σύμφωνα με το σχήμα 4.
MHD αεροδυναμικό. - Αν αυτός ο επιταχυντής διαθέτει αυτόνομη πηγή ηλεκτρικής ενέργειας, θα προκύψει ένα MHD αεροδυναμικό με επαγωγή και έλεγχο ιονισμού. Σε μία προηγούμενη εισήγηση (1) είχε αναφερθεί ένας MHD κινητήρας. Ένας δίχρονος κινητήρας, όπου στο τέλος της φάσης συμπίεσης MHD πραγματοποιούνταν ενδομείγματα αερίων αντιδράσεις σύγκρουσης. Τότε το πλάσμα διαστέλλεται, και η συσκευή συμπεριφέρεται σε αυτή τη δεύτερη φάση ως ηλεκτρικός γεννήτριας τύπου Hall.
Θα πρέπει να αναφέρουμε μία πρόσφατη εργασία του Ralph Moir (2). Αυτός προτείνει επίσης έναν εναλλασσόμενο MHD κινητήρα, με διαφορετική δομή, και φαίνεται πιο απλός. Το βασικό στοιχείο είναι μία τοροειδής κοιλότητα που δεν είναι τίποτα άλλο παρά ένας τοκαμάκ. Ο Moir υπολογίζει ότι οι συνθήκες Lawson μπορούν να επιτευχθούν κατά την MHD συμπίεση, που για αυτό το είδος συσκευής είναι τύπου θήτα pinch. Η διαστολή του πλάσματος σύγκρουσης συμπιέζει τις γραμμές του μαγνητικού πεδίου, και προκαλεί άμεση παραγωγή ηλεκτρικού ρεύματος μέσω επαγωγής. Το ενδιαφέρον αυτής της διπλής δομής: αεροδυναμικό και κινητήρας που λειτουργεί με επαγωγή, είναι ότι απαλείφει τη διέλευση ισχυρών ρευμάτων μέσω ηλεκτροδίων.
Περιορισμός του πλάσματος στην επιφάνεια. - Το επαγωγικό πηνίο του δίσκου MHD παράγει μαγνητικό πεδίο που είναι μέγιστο στην επιφάνεια. Η μαγνητική πίεση θα έχει την τάση να μετακινήσει την απόκρουση μακριά από αυτή. Για να ελέγξουμε τη θέση της MHD αλληλεπίδρασης, πρέπει να χρησιμοποιήσουμε μία γεωμετρία που δίνει μέγιστο πεδίο όχι στην επιφάνεια, αλλά κοντά σε αυτή. Αυτό μπορεί να επιτευχθεί με γεωμετρία πολλών πηνίων, όπως φαίνεται στο σχήμα 5. Ο υπολογισμός δείχνει ότι η ένταση του μαγνητικού πεδίου είναι τότε μέγιστη σε μία προσεγγιστικά κωνική επιφάνεια. Συνιστάται να επιλέξουμε για το τοίχωμα του αεροδυναμικού μία τροχιά κάθετη προς τις γραμμές πεδίου, ώστε η δύναμη Lorentz να είναι εφαπτόμενη σε αυτή. Η ιδέα του MHD αεροδυναμικού προέρχεται από τον Jean-Pierre Petit, ενώ η ιδέα της πολυπηνίου γεωμετρίας περιορισμού από τον Maurice Viton.
(*) Συνεδρίαση της 8ης Δεκεμβρίου 1976
(1) J.P. Petit, Comptes rendus, 281, σειρά B, 1975, σ. 157
(2) R. Moir, Direct Conversion of Energy from Fusion, έκθεση UCRL 76096 του Lawrence Livermore Laboratory, Καλιφόρνια, ΗΠΑ