ไฮบริดทอรอยดัลขนาดกะทัดรัด

ประเภทอุปกรณ์	สเตลลาเรเตอร์
ที่ตั้ง	รัฐอลาบามาสหรัฐอเมริกา
สังกัด	มหาวิทยาลัยออเบิร์น
ข้อกำหนดทางเทคนิค
รัศมีหลัก	0.75 เมตร (2 ฟุต 6 นิ้ว)
รัศมีเล็ก	0.29 เมตร (11 นิ้ว)
ปริมาตรพลาสมา	0.6  ม. 3
สนามแม่เหล็ก	0.4–0.7 ตัน (4,000–7,000 กรัม)
กำลังความร้อน	10  กิโลวัตต์ (ECH)100  กิโลวัตต์ (โอห์มิก)
ประวัติศาสตร์
ปีที่ดำเนินการ	ปี 2005–ปัจจุบัน
นำหน้าโดย	คอมแพค ออเบิร์น ทอร์ซาตรอน

เครื่องไฮบริดทอรอยดัลขนาดกะทัดรัด (CTH) ^{[ 1 ]}เป็นอุปกรณ์ทดลองที่มหาวิทยาลัยออเบิร์นซึ่งใช้สนามแม่เหล็ก เพื่อกัก พลาสมาอุณหภูมิสูง^{[ 2 ] [ 3 ]} CTH เป็น สเต ลลาเร เตอร์ ประเภท ทอ ร์ซาตรอนที่มีขดลวดเกลียวภายนอกที่พันอย่างต่อเนื่องซึ่งสร้างสนามแม่เหล็กส่วนใหญ่เพื่อกักพลาสมา

อุปกรณ์ฟิวชั่นแบบกักเก็บสนามแม่เหล็ก ทรงวงแหวน (Toroidal magnetic confinement fusion devices) สร้างสนามแม่เหล็กที่มีรูปร่างเป็นวงแหวนสนามแม่เหล็กเหล่านี้ประกอบด้วยสองส่วน ส่วนหนึ่งชี้ไปในทิศทางที่ยาวที่สุดรอบวงแหวน (ทิศทางวงแหวน) ในขณะที่อีกส่วนหนึ่งชี้ไปในทิศทางที่สั้นที่สุดรอบวงแหวน (ทิศทางโพลอยดัล) การรวมกันของสองส่วนนี้สร้าง สนามที่มีรูปร่าง เป็นเกลียว (ลองนึกภาพเหมือนเอาแท่งลูกอม ที่ยืดหยุ่นได้ มาต่อปลายทั้งสองข้างเข้าด้วยกัน) อุปกรณ์ประเภท สเตลลาเรเตอร์ (Stellator ) สร้างสนามแม่เหล็กที่จำเป็นทั้งหมดด้วยขดลวดแม่เหล็กภายนอก ซึ่งแตกต่างจาก อุปกรณ์ โทคาแมก (Tokamak) ที่ สนามแม่เหล็กทรงวงแหวนถูกสร้างขึ้นโดยขดลวดภายนอก และสนามแม่เหล็ก โพลอยดัล ถูกสร้างขึ้นโดยกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านพลาสมา

สนามแม่เหล็กหลักใน CTH ถูกสร้างขึ้นโดยขดลวดเกลียวที่พันอย่างต่อเนื่อง ชุดขดลวดเสริมอีกสิบชุดสร้างสนามแบบทอรอยด์คล้ายกับของโทคาแมกสนามทอรอยด์นี้ใช้เพื่อปรับเปลี่ยนการหมุนของโครงสร้างสนามแม่เหล็กที่กักเก็บพลาสมา โดยทั่วไป CTH ทำงานที่สนามแม่เหล็ก 0.5 ถึง 0.6 เทสลาที่ศูนย์กลางของพลาสมา CTH สามารถทำงานได้ในฐานะสเตลลาเรเตอร์ บริสุทธิ์ แต่ยังมีระบบหม้อแปลงความร้อนโอห์มิกเพื่อขับกระแสไฟฟ้าในพลาสมา กระแสไฟฟ้านี้สร้างสนามแม่เหล็กแบบโพลอยดัล ซึ่งนอกจากจะให้ความร้อนแก่พลาสมาแล้ว ยังเปลี่ยนการหมุนของสนามแม่เหล็กด้วย นักวิจัย CTH ศึกษาว่าพลาสมาถูกกักเก็บได้ดีเพียงใดในขณะที่พวกเขาเปลี่ยนแหล่งที่มาของการหมุนจากขดลวดภายนอกไปเป็นกระแสพลาสมา

ภาชนะสุญญากาศของ CTH ทำจากInconel 625ซึ่งมีความต้านทานไฟฟ้าสูงกว่าและค่าการซึมผ่านของแม่เหล็กต่ำกว่าสแตนเลส การสร้างและการให้ความร้อนของพลาสมาทำได้โดยใช้ การให้ความร้อน ด้วยคลื่นอิเล็กตรอนไซโคลตรอนเรโซแนนซ์ (ECRH) ที่ความถี่ 14 GHz และกำลัง 10 kW เมื่อไม่นานมานี้ได้มีการติดตั้ง ไจโรตรอนขนาด 200 kW ใน CTH การให้ความร้อนแบบโอห์มิกใน CTH มีกำลังไฟฟ้าขาเข้า 100 kW

• โดยทั่วไปอุณหภูมิอิเล็กตรอนของพลาสมาจะสูงถึง 200  อิเล็กตรอนโวลต์และความหนาแน่นของอิเล็กตรอนสูงถึง 5 × 10¹⁹¹⁹  ม. ⁻³ .
• พลาสมามีระยะเวลาคงอยู่ระหว่าง 60 มิลลิวินาทีถึง 100 มิลลิวินาที
• ต้องใช้เวลา 6-7 นาทีในการสะสมพลังงานให้เพียงพอสำหรับจ่ายไฟให้ขดลวดแม่เหล็ก

ต่อไปนี้คือรายชื่อระบบย่อยที่จำเป็นสำหรับการทำงานของ CTH

ศูนย์ CTH มีเครื่องมือตรวจวัดมากมายสำหรับวัดคุณสมบัติของพลาสมาและสนามแม่เหล็ก รายชื่อเครื่องมือตรวจวัดหลักๆ มีดังต่อไปนี้

V3FIT ^{[ 5 ]}เป็นโค้ดสำหรับสร้างสมดุลระหว่างพลาสมาและสนามแม่เหล็กกักกันในกรณีที่สนามแม่เหล็กมีลักษณะเป็นวงแหวน แต่ไม่ใช่แบบสมมาตรตามแกนเช่นเดียวกับสมดุลของโทคาแมก เนื่องจากสเตลลาเรเตอร์ไม่ใช่แบบสมมาตรตามแกน กลุ่ม CTH จึงใช้โค้ด V3FIT และ VMEC ^{[ 6 ]}สำหรับการสร้างสมดุล โค้ด V3FIT ใช้กระแสในขดลวดกักกันแม่เหล็ก กระแสพลาสมา และข้อมูลจากเครื่องมือวินิจฉัยต่างๆ เช่น ขดลวด Rogowski กล้อง SXR และอินเตอร์เฟอโรเมตร เป็นข้อมูลป้อนเข้า เอาต์พุตของโค้ด V3FIT ประกอบด้วยโครงสร้างของสนามแม่เหล็ก และโปรไฟล์ของกระแสพลาสมา ความหนาแน่น และการแผ่รังสี SXR ข้อมูลจากการทดลอง CTH ถูกนำมาใช้และยังคงถูกใช้เป็นฐานทดสอบสำหรับโค้ด V3FIT ซึ่งถูกนำไปใช้ในการสร้างสมดุลขึ้นใหม่ในเครื่องปฏิกรณ์ นิวเคลียร์แบบสเตลลาเรเตอร์ Helically Symmetric eXperiment (HSX), Large Helical Device (LHD) และWendelstein 7-X (W7-X) รวมถึง เครื่อง ปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบพินช์สนามกลับReversed-Field eXperiment (RFX) และMadison Symmetric Torus (MST) ด้วย

CTH ได้สร้างและยังคงสร้างคุณูปการพื้นฐานต่อฟิสิกส์ของสเตลลาเรเตอร์ที่นำกระแสไฟฟ้า^{[ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]}นักวิจัยของ CTH ได้ศึกษาขีดจำกัดการหยุดชะงักและลักษณะเฉพาะตามฟังก์ชันของการเปลี่ยนแปลงการหมุนที่ใช้ภายนอก (เนื่องจากขดลวดแม่เหล็กภายนอก) สำหรับ:

• การหลีกเลี่ยงการหยุดชะงักแบบโทคาแมกที่มีปัจจัยความปลอดภัยต่ำ (low-q) ^{[ 10 ]}
• เหตุการณ์การเคลื่อนที่ในแนวดิ่ง (VDEs) ^{[ 11 ]}

นักศึกษาและบุคลากรของ CTH ทำงานในโครงการวิจัยเชิงทดลองและเชิงคำนวณหลายโครงการ บางโครงการดำเนินการภายในสถาบันเอง ในขณะที่บางโครงการเป็นการร่วมมือกับมหาวิทยาลัยและห้องปฏิบัติการแห่งชาติอื่นๆ ทั้งในสหรัฐอเมริกาและต่างประเทศ โครงการวิจัยในปัจจุบัน ได้แก่:

• การศึกษาขีดจำกัดความหนาแน่นโดยพิจารณาจากผลของการแปลงการหมุนในสุญญากาศ
• การใช้เทคนิคทางสเปกโทรสโกปีในการวัดการสึกกร่อนของทังสเตนร่วมกับกลุ่มวิจัยDIII-D
• การวัดการไหลของพลาสมาด้วยระบบ Coherence Imaging บนเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ CTH และบนเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบสเตลลาเรเตอร์W-7X
• การศึกษาการขนส่งไอออนหนักในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์แบบสเตลลาเรเตอร์W-7X
• การศึกษาบริเวณรอยต่อระหว่างพลาสมาที่แตกตัวเป็นไอออนอย่างสมบูรณ์และพลาสมาที่มีอนุภาคที่เป็นกลางเป็นหลัก
• การติดตั้งช่องสัญญาณที่ 4 สำหรับระบบอินเตอร์เฟอโรเมตร
• การให้ความร้อนด้วย เรโซแนนซ์ไซโคลตรอนอิเล็กตรอนฮาร์มอนิกที่ 2 โดยใช้ไจโรตรอน

ออเบิร์น ทอร์ซาตรอน

ประเภทอุปกรณ์	สเตลลาเรเตอร์
ที่ตั้ง	รัฐอลาบามาสหรัฐอเมริกา
สังกัด	มหาวิทยาลัยออเบิร์น
ข้อกำหนดทางเทคนิค
รัศมีหลัก	0.58 เมตร (1 ฟุต 11 นิ้ว)
รัศมีเล็ก	0.14 เมตร (5.5 นิ้ว)
สนามแม่เหล็ก	< 0.2 ตัน (2,000 กรัม)
ประวัติศาสตร์
ปีที่ดำเนินการ	พ.ศ. 2526–2533
ประสบความสำเร็จโดย	คอมแพค ออเบิร์น ทอร์ซาตรอน

คอมแพค ออเบิร์น ทอร์ซาตรอน

ประเภทอุปกรณ์	สเตลลาเรเตอร์
ที่ตั้ง	รัฐอลาบามาสหรัฐอเมริกา
สังกัด	มหาวิทยาลัยออเบิร์น
ข้อกำหนดทางเทคนิค
รัศมีหลัก	0.53 เมตร (1 ฟุต 9 นิ้ว)
รัศมีเล็ก	0.11 เมตร (4.3 นิ้ว)
ปริมาตรพลาสมา	0.12  ม. 3
สนามแม่เหล็ก	0.1 ตัน (1,000 กรัม)
ประวัติศาสตร์
ปีที่ดำเนินการ	พ.ศ. 2533–2543
นำหน้าโดย	ออเบิร์น ทอร์ซาตรอน
ประสบความสำเร็จโดย	ไฮบริดทอรอยดัลขนาดกะทัดรัด

CTH เป็นอุปกรณ์ทอร์ซาตรอนตัวที่สามที่สร้างขึ้นที่มหาวิทยาลัยออเบิร์น อุปกรณ์กักเก็บสนามแม่เหล็กก่อนหน้านี้ที่สร้างขึ้นที่มหาวิทยาลัยแห่งนี้ ได้แก่:

เครื่องทอร์ซาตรอนออเบิร์นมีขดลวดเกลียว l=2, m=10 ภาชนะสุญญากาศมีรัศมีหลัก R _o = 0.58 ม. และรัศมีรอง a _v = 0.14 ม. ความแรงของสนามแม่เหล็กคือ |B| ≤ 0.2 T และพลาสมาถูกสร้างขึ้นด้วย ECRH โดยใช้แมกเนตรอน 2.45 GHz ที่นำมาจากเตาไมโครเวฟ เครื่องทอร์ซาตรอนออเบิร์นถูกใช้เพื่อศึกษาฟิสิกส์พลาสมาพื้นฐานและการวินิจฉัย รวมถึงเทคนิคการทำแผนที่พื้นผิวแม่เหล็ก^{[ 12 ] [ 13 ]}

เครื่องทอร์ซาตรอนออเบิร์นขนาดกะทัดรัด (CAT) มีขดลวดเกลียวสองชุด คือ l=1,m=5 และ l=2,m=5 ซึ่งสามารถควบคุมกระแสไฟฟ้าได้อย่างอิสระ^{[ 14 ]} การเปลี่ยนแปลงกระแสไฟฟ้าสัมพัทธ์ระหว่างขดลวดเกลียวจะปรับเปลี่ยนการหมุน รัศมีหลักของภาชนะสุญญากาศคือ R _o = 0.53 ม. โดยมีรัศมีรองของพลาสมาคือ a _v =0.11 ม. ความแรงของสนามแม่เหล็กในสภาวะคงที่คือ |B| 0.1 T พลาสมา CAT ถูกสร้างขึ้นด้วย ECRH โดยใช้แหล่งกำเนิดแมกเนตรอนที่มีความผันผวนต่ำ 6 kW, 2.45 GHz CAT ถูกใช้เพื่อศึกษาเกาะแม่เหล็ก^{[ 15 ]}การลดขนาดเกาะแม่เหล็ก^{[ 16 ]}และการหมุนของพลาสมาที่ถูกขับเคลื่อน^{[ 17 ]}

ด้านล่างนี้คือรายชื่อผู้ใช้ Stellar รายอื่น ๆ ในสหรัฐอเมริกาและทั่วโลก:

• Wendelstein 7-XในGreifswaldประเทศเยอรมนี
• อุปกรณ์เกลียวขนาดใหญ่ (LDH) ในญี่ปุ่น
• โครงการทดลองสเตลลาเรเตอร์ขนาดกะทัดรัดแห่งชาติ (NCSX) - อุปกรณ์ที่ได้รับการออกแบบและสร้างขึ้นบางส่วนที่ห้องปฏิบัติการฟิสิกส์พลาสมาพรินซ์ตัน ( PPPL )
• การทดลองสมมาตรแบบเกลียวที่มหาวิทยาลัยวิสคอนซิน - แมดิสัน
• การทดลอง อุปกรณ์ไฮบริดอิลลินอยส์เพื่อการวิจัยและการประยุกต์ใช้ (HIDRA) ที่มหาวิทยาลัยอิลลินอยส์
• ทอรัสไม่เป็นกลางโคลัมเบีย ( CNT) ที่มหาวิทยาลัยโคลัมเบียในนิวยอร์ก
• การทดลอง เฮลิโอตรอน เจในประเทศญี่ปุ่น
• TJ -IIในสเปน
• เครื่องกำเนิดดาวของคอสตาริกา ( SCR-1 )
• Uragan-2Mในยูเครน

• เว็บไซต์ CTH ถูกเก็บถาวรเมื่อวันที่ 13 สิงหาคม 2019 ที่Wayback Machine
• ภาควิชาฟิสิกส์
• มหาวิทยาลัยออเบิร์น