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Optimized magnetic field profiles and a β-limitation in minimum-B mirror reactors

J.G. Cordey, C.J.H. Watson1972年被引用 4Nuclear FusionIF 3出版社

The steady-state collisional distribution function of a mirror-confined plasma which is known from Fokker-Planck calculations, implies a unique relationship between the plasma pressure and the magnetic field strength at any point within the plasma. Using this relationship it is possible to deduce the maximum β consistent with macroscopic stability in a mirror machine with given mirror ratio. This β limitation is found to impose a rather mild restriction upon reactor designs. For fields which satisfy this β limitation, the profile of the magnetic field along its axis is restricted but not fully determined, by the minimum-B requirement, and the remaining freedom can be used to optimize the magnet design by maximizing the ratio of the thermonuclear power produced to the cost of the magnetic field windings. It is found that even when the profile has been optimized in this way, the plasma density and pressure profiles are rather peaked towards the centre of the reactor, and the ratio of the thermonuclear power produced in such an optimized minimum-B reactor to the power which would be produced in a reactor of the same dimensions but with a square well profile (if it were stable) is approximately 1/4.

日本語訳

定常状態のミラー閉じ込めプラズマの衝突分布関数は、フォッカー・プランク計算から知られているが、プラズマ内の任意の点におけるプラズマ圧力と磁場強度の間に一意な関係を導く。この関係を用いると、与えられたミラー比を持つミラー装置において、安定性と両立する最大のβを推定することが可能である。このβの限界は、炉設計に対してかなり緩い制約しか課さないことがわかる。このβの限界を満たす磁場配位について、その軸に沿った磁場のプロファイルは、最小B条件によって完全に決定されるわけではなく、ある程度の自由度が残される。この残された自由度は、磁場コイルのコストに対する熱核出力の比を最大化することにより、磁石設計の最適化に用いることができる。このようにしてプロファイルを最適化した場合でも、プラズマ密度と圧力のプロファイルは炉の中心部に向かってかなり尖った形状になることがわかる。また、このように最適化された最小B型炉において生成される熱核出力と、同じ寸法であるが方形井戸型プロファイル(もし安定に維持できるならば)を持つ炉で生成されるであろう熱核出力との比は、約1/4である。

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