플라즈마 이온화를 이용한 MHD 변환기
자기유체역학. - 새로운 유형의 자기유체역학적 변환기: 유도형 장치. Jean-Pierre Petit 와 Maurice Viton 의 노트 (*), 안드레 리크네로비치 씨에 의해 제출됨. CRAS 1976.
...이제 새로운 유형의 디스크형 유도 MHD 가속기, 이온화를 제어 가능한 장치가 제시된다. 자체 전원을 갖춘 이 장치는 MHD 항공기로 발전할 수 있다. 벽면에 플라즈마를 가두는 해결책이 제시된다.
...이온화를 제어 가능한 유도형 디스크형 MHD 가속기가 제시된다. 가벼우면서 강력한 전기 발전기와 결합하면 MHD 항공기로 전환될 수 있다. 벽면에 플라즈마를 가두는 방법이 제시된다.
서론. 이전의 노트(1)에서 강한 홀 효과를 이용한 특이한 형상의 MHD 변환기가 설명된 바 있다. 이러한 장치들 중 일부는 현재 실험 중이다.
...이번 노트에서는 교류 자기장이 작용하는 MHD 가속기를 다룬다. 절연재로 만들어진 디스크를 고려해보자. 디스크의 가장자리에는 교류 전류가 흐르는 솔레노이드가 부착되어 있다(도 1). 자기장의 변화는 디스크 주변 유체 내에 순환하는 유도 전류를 유도하려는 경향이 있다. 홀 효과는 무시할 수 있다고 가정한다. 이러한 유도 전류는 자기장 B의 순간값과 결합하여 반경 방향의 힘을 생성하며, 이 힘은 주기적으로 원심력과 중심력으로 바뀐다. 시스템이 대칭적이므로 이러한 힘은 반경 방향의 진동만을 유도하며, 주기 동안 운동량의 적분은 0이 된다. 유도 전류의 세기는 자기장 B의 피크 값과 주기 T에 따라 달라진다. B/T 비율이 일정한 임계값 이하에서는 유도 전류가 매우 약해진다.
이온화 제어 가속기. - 그러나 디스크의 벽면에 이온화를 유도할 수 있는 어떤 장치를 부착하면 상황이 달라진다(도 2). 이 장치를 통해 가속기 벽면 주변의 모든 지점에서 유도 전류의 세기를 제어할 수 있다. 이제 이온화 장치의 공급 전원을 도 3과 같이 조절해보자. 이때 이온화의 회복 시간이 자기장 B의 주기 T보다 훨씬 짧은 조건을 가정한다.
...이제, 라플라스 힘이 나타날 때, 디스크 상부 근처에서는 반경 방향의 힘이 원심력이 되고, 하부 근처에서는 중심력이 된다는 것은 쉽게 알 수 있다. 이온화된 공기는 펄스 방식으로 작용하게 되며, 도 4와 같은 유체 운동이 발생한다.
MHD 항공기. - 만약 이 가속기가 자체 전기 에너지 공급 장치를 갖춘다면, 유도형 및 이온화 제어형 MHD 항공기가 만들어질 수 있다. 이전의 노트(1)에서는 MHD 엔진이 언급된 바 있다. 이 엔진은 2행정 엔진으로, MHD 압축 단계의 끝에서 가스 혼합물 내에서 핵융합 반응이 일어난다. 플라즈마는 이후 팽창하며, 이 장치는 이 두 번째 단계에서 홀 형식의 전기 발전기로 작용한다.
최근의 랄프 모어(Ralph Moir)의 논문(2)을 언급해 보자. 그는 다른 형태의 교류 MHD 엔진을 제안하며, 상당히 단순한 구조라고 평가한다. 핵심 요소는 토로이드 형태의 방실로, 이는 바로 토카막과 동일하다. 모어는 MHD 압축을 통해 로우슨 조건을 달성할 수 있다고 추정한다. 이 장치의 압축 방식은 세타 핀치 타입이다. 핵융합 플라즈마의 팽창은 자기장의 힘선을 압축하며, 유도에 의해 전류가 직접 생성된다. 이 이중 구조(항공기와 유도 작동 엔진)의 장점은 전극을 통과하는 강한 전류를 피할 수 있다는 점이다.
플라즈마의 벽면 가두기. - 디스크형 가속기의 유도 솔레노이드는 벽면에서 자기장이 최대가 된다. 따라서 자기압력은 방전이 벽면에서 멀어지게 하려는 경향이 있다. 만약 MHD 상호작용의 위치를 제어하고자 한다면, 자기장이 벽면이 아니라 벽면 근처에서 최대가 되는 형상을 사용해야 한다. 이는 도 5와 같이 다중 솔레노이드 구조로 실현할 수 있다. 계산 결과 자기장 세기는 약간 원뿔 형태의 표면에서 최대가 된다. 따라서 항공기 벽면은 자기장선에 수직인 경로를 선택하는 것이 바람직하며, 이 경우 라플라스 힘은 그 경로에 접선 방향이 된다. MHD 항공기 아이디어는 Jean-Pierre Petit 에 의해 제안되었고, 다중 솔레노이드로 플라즈마를 가두는 형상은 Maurice Viton 의 아이디어이다.
(*) 1976년 12월 8일 회의
(1) J.P. Petit, Comptes rendus, 281, B 계열, 1975, p.157
(2) R. Moir, Direct Conversion of Energy from Fusion, Lawrence Livermore Laboratory 보고서 UCRL 76096, 캘리포니아, 미국