Испытательный реактор токамака

ТФТР
Испытательный реактор токамака
	ТФТР в 1989 году
Тип устройства	Токамак
Расположение	Принстон , Нью-Джерси , США
Принадлежность	Принстонская лаборатория физики плазмы
Технические характеристики
Большой радиус	2,52 м (8 футов 3 дюйма)
Малый радиус	0,87 м (2 фута 10 дюймов)
Магнитное поле	6,0 Тл (60 000 Гс) (тороидальный)
Мощность нагрева	51 МВт
Плазменный ток	3 МА
История
Год(ы) работы	1982–1997
Предшественник	Принстонский Большой Тор (PLT)
Преемник	Национальный эксперимент со сферическим тором (NSTX)
Связанные устройства	ДЖТ-60

Испытательный реактор термоядерного синтеза Токамак ( TFTR ) — экспериментальный токамак , построенный в Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) примерно в 1980 году и введенный в эксплуатацию в 1982 году. TFTR был разработан с явной целью достижения научной безубыточности , точки, в которой тепло выделяется из реакции синтеза в плазме равны или превышают нагрев, подаваемый в плазму внешними устройствами для ее разогрева. ^[1]^[2]

TFTR так и не достиг этой цели, но он действительно добился значительного прогресса в области времени удержания и плотности энергии. Это было первое в мире устройство магнитного термоядерного синтеза, проводившее обширные научные эксперименты с плазмой, состоящей из 50/50 дейтерия и трития (DT), топливной смеси, необходимой для практического производства термоядерной энергии, а также первое устройство, производившее термоядерную энергию мощностью более 10 МВт. . Он установил несколько рекордов по выходной мощности, максимальной температуре и тройному продукту термоядерного синтеза .

TFTR закрылся в 1997 году после пятнадцати лет работы. PPPL использовала знания TFTR, чтобы начать изучение другого подхода — сферического токамака — в своем Национальном эксперименте со сферическим тором . Японский JT-60 очень похож на TFTR, оба основаны на ключевых инновациях, представленных Сёити Ёсикавой (1934-2010). ^[3] во время его пребывания в PPPL в 1970-х годах.

Общий

В ядерном синтезе есть два типа реакторов, достаточно стабильных для проведения термоядерного синтеза: реакторы с магнитным удержанием и реакторы с инерционным удержанием. Первый метод синтеза направлен на увеличение времени, в течение которого ионы находятся близко друг к другу, чтобы слить их вместе, тогда как второй метод направлен на то, чтобы слить ионы так быстро, чтобы они не успели разойтись. Реакторы с инерционным удержанием, в отличие от реакторов с магнитным удержанием, для проведения термоядерного синтеза используют лазерный синтез и ионно-лучевой синтез. Однако с помощью реакторов с магнитным удержанием вы избегаете проблемы поиска материала, способного выдерживать высокие температуры реакций ядерного синтеза. Ток нагрева индуцируется изменяющимися магнитными полями в центральных индукционных катушках и превышает миллион ампер. Устройства магнитного синтеза удерживают горячую плазму от контакта со стенками контейнера, поддерживая ее движение по круговым или спиральным траекториям за счет магнитной силы, воздействующей на заряженные частицы, и центростремительной силы, действующей на движущиеся частицы. ^[4]

История

Токамак

К началу 1960-х годов поле термоядерной энергетики разрослось настолько, что исследователи начали организовывать полугодовые встречи, которые вращались вокруг различных исследовательских учреждений. В 1968 году встреча, ставшая теперь ежегодной, проводилась в Новосибирске , где советская делегация удивила всех, заявив, что их конструкции токамаков достигли уровня производительности, по крайней мере, на порядок превосходящего любое другое устройство. Поначалу эти заявления были встречены со скептицизмом, но когда в следующем году результаты были подтверждены британской командой, этот огромный прогресс привел к «фактически паническому бегству» в строительстве токамаков. ^[5]

В США одним из основных подходов, изучавшихся до этого момента, был стелларатор , развитие которого почти полностью ограничивалось PPPL. Их последняя разработка, Модель C, недавно была введена в эксплуатацию и продемонстрировала производительность, значительно ниже теоретических расчетов, далекую от полезных цифр. После подтверждения новосибирских результатов они немедленно приступили к преобразованию Модели C в схему токамака, известную как Симметричный Токамак (ST). Это было завершено всего за восемь месяцев и поступило на вооружение в мае 1970 года. Компьютерная диагностика ST позволила ему быстро сравниться с советскими результатами, и с этого момента весь мир термоядерного синтеза все больше внимания уделял этой конструкции, а не любой другой. ^[6]

Большой Тор Принстона

В начале 1970-х годов Сёичи Ёсикава рассматривал концепцию токамака. Он отметил, что по мере увеличения размера малой оси реактора (диаметра трубы) по сравнению с его большой осью (диаметром всей системы) система становилась более эффективной. Дополнительным преимуществом было то, что по мере увеличения малой оси время удержания улучшалось по той простой причине, что ионам топлива требовалось больше времени, чтобы достичь внешней части реактора. Это привело к широкому признанию того, что конструкции с меньшим соотношением сторон были ключевым преимуществом по сравнению с более ранними моделями. ^[2]

Это привело к созданию Принстонского Большого тора (PLT), строительство которого было завершено в 1975 году. Эта система была успешной до такой степени, что быстро достигла пределов своей омической системы нагрева, системы, которая пропускала ток через плазму для ее нагрева. Среди множества идей, предложенных для дальнейшего нагрева, в сотрудничестве с Окриджской национальной лабораторией PPPL разработала идею инжекции нейтрального пучка . При этом использовались ускорители малых частиц для введения атомов топлива непосредственно в плазму, одновременно нагревая ее и обеспечивая свежее топливо. ^[2]

После ряда модификаций системы инжекции пучка недавно оборудованная PLT начала устанавливать рекорды и в конечном итоге провела несколько испытательных запусков при температуре 60 миллионов К, что более чем достаточно для термоядерного реактора. Чтобы достичь критерия воспламенения Лоусона , все, что было необходимо, — это более высокая плотность плазмы, и, казалось, не было причин, по которым это было бы невозможно в более крупной машине. Широко распространено мнение, что безубыточность будет достигнута в 1970-х годах. ^[6]^[2]

Концепция TFTR

После успеха PLT и других последующих разработок основная концепция считалась хорошо понятной. PPPL начал разработку гораздо более крупного преемника PLT, который будет демонстрировать плазменное горение в импульсном режиме. ^[2]

В июле 1974 года Министерство энергетики (DOE) провело большое собрание, на котором присутствовали все основные термоядерные лаборатории. Среди присутствующих выделялся Маршалл Розенблут , теоретик, который имел привычку изучать машины и находить множество новых нестабильностей, которые могли разрушить изоляцию. К всеобщему удивлению, на этой встрече он не смог высказать никаких новых опасений. Казалось, что путь к безубыточности был ясен. ^[7]

Последним шагом перед атакой на безубыточность будет создание реактора, работающего на смеси дейтерия и трития , в отличие от более ранних машин, которые работали только на дейтерии. Это произошло потому, что тритий был радиоактивным и легко усваивался организмом, что создавало проблемы с безопасностью, из-за которых его использование было дорогостоящим. Широко распространено мнение, что производительность машины, работающей только на дейтерии, будет в основном идентична машине, работающей на DT, но это предположение необходимо было проверить. Изучив проекты, представленные на встрече, команда Министерства энергетики остановила свой выбор на дизайне Принстона. ^[7]

Боб Хирш , который недавно возглавил руководящий комитет Министерства энергетики, хотел построить испытательную машину в Национальной лаборатории Ок-Ридж (ORNL), но другие в отделе убедили его, что разумнее сделать это в PPPL. Они утверждали, что команда Принстона будет более вовлечена, чем команда ORNL, работающая над чужим дизайном. Если последует инженерный прототип коммерческой системы, его можно будет построить в Ок-Ридже. Они дали проекту название TFTR и обратились в Конгресс за финансированием, которое было предоставлено в январе 1975 года. Концептуальные проектные работы проводились в течение 1975 года, а в следующем году началось детальное проектирование. ^[7]

TFTR станет самым большим токамаком в мире; для сравнения: у оригинального ST диаметр плазмы составлял 12 дюймов (300 мм), тогда как у последующей конструкции PLT - 36 дюймов (910 мм), а у TFTR - 86 дюймов (2200 мм). ^[2] Это сделало его примерно вдвое больше других крупных машин того времени; 1978 года Joint European Torus и примерно совпадающий с ним JT-60 были примерно вдвое меньше диаметра. ^[8]

Поскольку PLT продолжал давать все лучшие и лучшие результаты, в 1978 и 1979 годах было добавлено дополнительное финансирование и в проект были внесены поправки, чтобы достичь долгожданной цели «научной безубыточности», когда количество энергии, производимой реакциями термоядерного синтеза в плазме, было равным от количества энергии, подаваемой в него для нагрева до рабочих температур. Также известный как Q = 1, это важный шаг на пути к созданию полезных конструкций для производства энергии. ^[9] Для удовлетворения этого требования мощность системы отопления была увеличена до 50 МВт, а затем до 80 МВт. ^[10]

Операции

Строительство началось в 1980 году, а TFTR начала первоначальную эксплуатацию в 1982 году. Последовал длительный период обкатки и испытаний. К середине 1980-х годов начались серьезные испытания дейтерия с целью понять его эффективность. В 1986 году были произведены первые «супервыстрелы», в результате которых было получено множество термоядерных нейтронов. ^[11] Это продемонстрировало, что система может достичь целей первоначальной конструкции 1976 года; производительность при работе на дейтерии была такова, что, если бы был введен тритий, ожидалось, что он даст около 3,5 МВт термоядерной мощности. Учитывая энергию в системах отопления, это составляет Q около 0,2, или всего лишь 20% от требования безубыточности. ^[9]

Однако дальнейшее тестирование выявило серьезные проблемы. Чтобы достичь безубыточности, система должна одновременно достичь нескольких целей: сочетания температуры, плотности и продолжительности времени, в течение которого топливо удерживается. В апреле 1986 года эксперименты TFTR продемонстрировали последние два из этих требований, когда был получен тройной продукт синтеза 1,5 x 10 ¹⁴ Кельвин-секунд на кубический сантиметр, что близко к цели для практического реактора и в пять-семь раз превышает необходимое для безубыточности. Однако это происходило при температуре, которая была намного ниже необходимой. В июле 1986 года TFTR достиг температуры плазмы 200 миллионов кельвинов (200 МК), что на тот момент было самым высоким показателем, когда-либо достигнутым в лаборатории. Температура в 10 раз выше, чем в центре Солнца, и этого более чем достаточно для безубыточности. К сожалению, для достижения таких температур тройное произведение пришлось сильно уменьшить до 10. ¹³, в два-три раза слишком мал для безубыточности.

Одновременно продолжались крупные усилия по достижению этих условий. Дональд Гроув, руководитель проекта TFTR, сказал, что они рассчитывают достичь этой цели в 1987 году. За этим последуют тесты DT, которые фактически приведут к безубыточности, начиная с 1989 года. ^[12] К сожалению, система не смогла достичь ни одной из этих целей. Причины этих проблем интенсивно изучались в последующие годы, что привело к новому пониманию нестабильности высокопроизводительной плазмы, чего не наблюдалось в машинах меньшего размера. Основным результатом проблем TFTR стало появление крайне неоднородного сечения плазмы, особенно плазмы D-образной формы, которая сейчас доминирует в этой области.

Более поздние эксперименты

Хотя стало ясно, что TFTR не достигнет безубыточности, всерьез эксперименты с использованием трития начались в декабре 1993 года, и это было первое подобное устройство, перешедшее в основном на это топливо. В 1994 году он установил тогдашний мировой рекорд в 10,7 мегаватт термоядерной мощности из плазмы 50-50 DT (превзойден на JET в Великобритании, которая произвела 16 МВт из 24 МВт введенной тепловой энергии в 1997 году). В этих двух экспериментах особое внимание было уделено альфа-частицам, образующимся в реакциях дейтерия-трития, которые важны для саморазогрева плазмы и являются важной частью любого оперативного проекта. В 1995 году TFTR достигла мирового рекорда температуры в 510 миллионов градусов Цельсия – более чем в 25 раз выше, чем в центре Солнца. Позже в следующем году этот показатель был превзойден токамаком JT-60, который достиг ионной температуры 522 миллиона ° C (45 кэВ). ^[13] Также в 1995 году ученые TFTR исследовали новый фундаментальный режим удержания плазмы — усиленный обратный сдвиг для уменьшения турбулентности плазмы. ^[14]

TFTR использовался до 1997 года. Он был демонтирован в сентябре 2002 года, после 15 лет эксплуатации. ^[15]

За ним последовал сферический токамак NSTX . ^[16]

См. также

Список экспериментов по термоядерному синтезу

Ссылки

^ Мид, Дейл (сентябрь 1988 г.). «Результаты и планы по созданию испытательного термоядерного реактора Токамак». Журнал термоядерной энергетики . 7 (2–3): 107. Бибкод : 1988JFuE....7..107M . дои : 10.1007/BF01054629 . S2CID 120135196 .
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж «Принстонский токамак обостряет гонку за термоядерную энергию» . Популярная наука . Декабрь 1978 г., стр. 69–71, 150.
^ Празднование жизни и творчества Сёити Ёсикавы, 9 апреля 1934 г. – 4 ноября 2010 г. (PDF) . НСТС-У.
^ Термоядерный синтез с магнитным удержанием и TFTR
^ Томсон, Джордж (30 января 1958 г.). «Термоядерный синтез: задача и триумф» . Новый учёный . Том. 3, нет. 63. стр. 11–13. ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}
^ Jump up to: ^а ^б Чейз, Лоуренс (8 декабря 1970 г.). «Основные достижения в области исследований рака и в Форрестоле» . Еженедельник выпускников Принстона . Том. 71. с. 19.
^ Jump up to: ^а ^б ^с Дин, Стивен (2013). Найдите Абсолютный Источник Энергии . Спрингер. п. 44. ИСБН 9781461460374 .
^ Кубич, Мартин (31 июля 2007 г.). Обзор параметров плазмы токамака JET в различных режимах его работы (PDF) (Технический отчет). Чешский технический университет.
^ Jump up to: ^а ^б Мид 1988 , с. 107.
^ Элерс К.В., Беркнер К.Х., Купер В.С., Хупер Б., Пайл Р.В., Стернс Дж.В. (17 ноября 1975 г.). Концептуальный проект системы впрыска нейтрального луча для TFTR (PDF) (Технический отчет). Лаборатория Лоуренса Беркли.
^ Фьюжн. Робин Херман. 1990. ISBN 0-521-38373-0
^ Томсен, DE (1986) Плазма в 10 раз горячее Солнца. Новости науки. 130: 102-102. ISSN 0036-8423
^ «Физика плазмы, обнаруженная в токамаке JT-60 за последние 20 лет» .
^ «Испытательный реактор Токамак» . Архивировано из оригинала 30 октября 2014 г. Проверено 30 октября 2014 г.
^ «Принстонский университет — удаление испытательного термоядерного реактора токамака успешно завершено» . www.princeton.edu . Архивировано из оригинала 23 апреля 2013 г.
^ http://www.pppl.gov/Tokamak%20Fusion%20Test%20Reactor. Архивировано 30 октября 2014 г. в Wayback Machine («Помимо достижения своих физических целей, TFTR достиг всех своих целей в области проектирования аппаратного обеспечения»).

[1] Мид, Дейл (сентябрь 1988 г.). «Результаты и планы по созданию испытательного термоядерного реактора Токамак». Журнал термоядерной энергетики . 7 (2–3): 107. Бибкод : 1988JFuE....7..107M . дои : 10.1007/BF01054629 . S2CID 120135196 .

[princeton-2] Jump up to: ^а ^б ^с ^д ^и ^ж «Принстонский токамак обостряет гонку за термоядерную энергию» . Популярная наука . Декабрь 1978 г., стр. 69–71, 150.

[3] Празднование жизни и творчества Сёити Ёсикавы, 9 апреля 1934 г. – 4 ноября 2010 г. (PDF) . НСТС-У.

[4] Термоядерный синтез с магнитным удержанием и TFTR

[5] Томсон, Джордж (30 января 1958 г.). «Термоядерный синтез: задача и триумф» . Новый учёный . Том. 3, нет. 63. стр. 11–13. ^{[ постоянная мертвая ссылка ]}

[cancer-6] Jump up to: ^а ^б Чейз, Лоуренс (8 декабря 1970 г.). «Основные достижения в области исследований рака и в Форрестоле» . Еженедельник выпускников Принстона . Том. 71. с. 19.

[search-7] Jump up to: ^а ^б ^с Дин, Стивен (2013). Найдите Абсолютный Источник Энергии . Спрингер. п. 44. ИСБН 9781461460374 .

[8] Кубич, Мартин (31 июля 2007 г.). Обзор параметров плазмы токамака JET в различных режимах его работы (PDF) (Технический отчет). Чешский технический университет.

[FOOTNOTEMeade1988107-9] Jump up to: ^а ^б Мид 1988 , с. 107.

[10] Элерс К.В., Беркнер К.Х., Купер В.С., Хупер Б., Пайл Р.В., Стернс Дж.В. (17 ноября 1975 г.). Концептуальный проект системы впрыска нейтрального луча для TFTR (PDF) (Технический отчет). Лаборатория Лоуренса Беркли.

[RH-11] Фьюжн. Робин Херман. 1990. ISBN 0-521-38373-0

[DT-12] Томсен, DE (1986) Плазма в 10 раз горячее Солнца. Новости науки. 130: 102-102. ISSN 0036-8423

[13] «Физика плазмы, обнаруженная в токамаке JT-60 за последние 20 лет» .

[14] «Испытательный реактор Токамак» . Архивировано из оригинала 30 октября 2014 г. Проверено 30 октября 2014 г.

[15] «Принстонский университет — удаление испытательного термоядерного реактора токамака успешно завершено» . www.princeton.edu . Архивировано из оригинала 23 апреля 2013 г.

[16] ttp://www.pppl.gov/Tokamak%20Fusion%20Test%20Reactor. Архивировано 30 октября 2014 г. в Wayback Machine («Помимо достижения своих физических целей, TFTR достиг всех своих целей в области проектирования аппаратного обеспечения»).

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]