Magnetohidrodinamika

Magnetohidrodinamika is die vakgebied wat hom bemoei met die studie van die dinamika van elektries geleidende vloeiers. Voorbeelde van sulke vloeiers sluit in plasmas, vloeibare metale en soutwater. Die vakgebied is deur Hannes Alfvén begin, waarvoor hy dan ook die Nobelprys vir fisika in 1970 verwerf het.

Die idee van Magnetohidrodinamika (MHD) is dat 'n magnetiese veld elektriese strome in 'n geleidende vloeier kan induseer, wat kragte in die vloeier tot gevolg het en ook die magnetiese veld beïnvloed. Die stel vergelykings wat MHD beskryf is 'n kombinasie van die Navier-Stokes vergelykings vanaf vloeidinamika en Maxwell se vergelykings vanaf elektromagnetisme. Die differensiaalvergelykings moet gelyktydig opgelos word, hetsy analities of numeries.

Beginsels

Wanneer 'n vaste of vloeibare geleier deur 'n magneetveld beweeg word, vloei daar ʼn elektriese stroom deur die geleier wat loodreg op die bewegingsrigting daarvan en die rigting van die veld is. Die voorwaarde vir stroomvloei is dat die geleier deel van ʼn geslote kring moet vorm (dinamobeginsel).

'n Ander verskynsel wat met bogenoemde verband hou, is dat ‘n stroomdraende geleier in ʼn magneetveld 'n krag ondervind wat loodreg op die stroomrigting is (motor-beginsel). Die wisselwerking tussen 'n geleier en 'n magneetveld kan soos volg beskryf word:

-  Die stroom wat volgens die dinamobeginsel in 'n geleier ontwikkel word, wek self 'n magneetveld op wat die oorspronklike veld versteur.

-  By die plekke in ‘n vloeiende medium (geleier) waar 'n krag    ontstaan as gevolg van die aanwesigheid van 'n elektriese stroom of ʼn eksterne magneetveld, sal hierdie krag die stroming in die medium beïnvloed, wat op sy beurt weer die geïnduseerde velde sal beïnvloed. Daar bestaan dus 'n wisselwerking tussen die beweging van die medium en die elektromagnetiese veld: die beweging beïnvloed die magneetveld en die magneetveld beïnvloed die beweging.

Beskrywing

Die beweging van onsaampersbare vloeistowwe soos kwik of elektroliete kan met behulp van relatief eenvoudige vergelykings beskryf word, terwyl dit nie by elektries geleidende geïoniseerde gas (plasma) gedoen kan word nie, aangesien dit saampersbaar is. Indien die uitwerking van saampersbaarheid egter veronagsaam kan word, kan 'n stel relatief eenvoudige vergelykings opgestel word; wanneer die saampersbaarheid in berekening gehou word, blyk dit dat sekere fisiese faktore soos elektriese geleidingsvermoë, viskositeit en termiese geleidingsvermoë van punt tot punt 'n aansienlike verskil in die vloeistof veroorsaak.

Ontwikkeling

Die belangrikste stimulus vir die ontwikkeling van MHD het uit die astronomie ontstaan. Die kosmos bestaan hoofsaaklik uit geïoniseerde gasse (plasmas) wat deur elektriese en magneetvelde beïnvloed word. In 1889 het Bigelow voorgestel dat die son 'n magneetveld besit en in 1918 het Larmor aan die hand gedoen dat die son se magneetveld die gevolg van die dinamobeginsel is.

Die belangrikste bydraers tot die verdere ontwikkeling van MHD was Cowling, Ferraro, Hartmann en die Nobelpryswenner H. Alfvén. MHD is sedertdien as riglyn gebruik om verskeie kosmiese verskynsels soos sonfakkels, die sonwind en sonvlekke te verklaar. Dit word verder gebruik om verskynsels in die aarde se ionosfeer en die ontstaan van geomagnetiese verskynsels mee op te klaar.

Na die Tweede Wêreldoorlog het MHD van tegniese belang geword, en die beginsels word toegepas by die magnetiese verplasing ("pomp") van vloeibare metale. Gesmelte natriummetaal word byvoorbeeld as koelmiddel in sekere kernreaktors gebruik. Een van die belangrikste moontlikhede wat tans bestudeer word, is om 'n MHD-generator vir die ontwikkeling van elektriese energie te bou.

Kernsmelting (fusie)

Die temperatuur waarby spontane kernsmelting moontlik word, is ongeveer 100 000 000 K. Die hoë temperatuur kan verkry word deur 'n groot elektriese stroom in 'n plasma te laat vloei (ohmverhitting), en die plasma dan met behulp van magneetvelde saam te pers.

Turbulente verwarming en die inskiet van deeltjies met 'n baie hoë energie (byvoorbeeld elektronbundels) kan soortgelyke resultate lewer. Dit is egter baie moeilik om die warm plasma binne 'n stelsel te hou, en een oplossing is dat die plasma met behulp van magneetvelde ingesluit word (die sogenaamde magnetiese bottels). Hoewel 'n gelaaide deeltjie loodreg op 'n magneetveld kan beweeg, beskryf 'n gelaaide deeltjie meestal 'n heliksvormige (of spiraalvormige) baan om 'n magneetveldlyn.

Die straal van so 'n baan is omgekeerd eweredig aan die sterkte van die magneetveld, en indien die veldsterkte groot genoeg is, sal die deeltjies aan die magneetlyne “vassit" en dus van die wande van die houer wegbly. Selfs al is ʼn plasma op die manier ingesluit, veroorsaak botsings tussen die deeltjies egter dat verliese weens diffusie na die reaktorwande voorkom, en is die deeltjieverlies vanweë die onstabiliteit ook 'n groot probleem. Hierdie onstabiliteit kan bekamp word deur die geometrie van die reaktorvat of van die magneetveld aan te pas.

Baie navorsing op hierdie gebied is reeds sedert die sestigerjare gedoen en daar het 'n verskeidenheid konfigurasies ontstaan, waarvolgens 'n plasma vir 'n kernsmeltingsreaksie in 'n stabiele toestand verkry kan word. Twee moontlikhede is die magnetiese spieëlstelsel en die toroïdale insnoereffek. Die stelsel wat teenswoordig die meeste gebruik word, is die Tokomak-toestel. wat ʼn soort toroïdale insnoerstelsel is. Die magneetstelsel wat in die Tokomak-toestel gebruik word, is relatief eenvoudig en tot dusver is bemoedigende resultate met die Tokomak by die Koerchatof-Instituut in Moskou verkry.

In Frankryk (Fontenay-aux-Roses), die Bondsrepubliek Duitsland (Garching), Italië (Frascati), verskeie plekke in Japan, die VSA (Oak Ridge) en Suid-Afrika (Pelindaba) is daar ook Tokomaks, en 'n projek wat dit ten doel het om hierdie navorsing te koördineer, staan bekend as die Joint European Tokomak (JET).

Verwysings

• Wêreldspektrum, 1982, ISBN 0908409583, volume 17, bl. 216