Токамак де Фонтене-о-Роз
| Токамак де Фонтене-о-Роз | |
|---|---|
 СКР вскоре после завершения строительства | |
| Тип устройства | Токамак |
| Расположение | Париж , Франция |
| Принадлежность | Комиссия по атомной энергии |
| Технические характеристики | |
| Большой радиус | 98 см (39 дюймов) (часто указывается как 1 м) |
| Малый радиус | 20 см (7,9 дюйма) (позже 24 см (9,4 дюйма)) |
| Объем плазмы | 1 м 3 |
| Магнитное поле | 6,0 Тл (60 000 Гс) (тороидальный) |
| Мощность нагрева | 2,2 МВт |
| Продолжительность разряда | 0,25 с |
| Плазменный ток | 400 кА (позже 600) |
| Температура плазмы | 3 кэВ (электроны) |
| История | |
| Дата(ы) постройки | 1970 по 1973 год |
| Год(ы) работы | 1973–1986 |
| Преемник | Торе Супра |
Токамак де Фонтене-о-Роз , TFR сокращенно , был первым французским токамаком , построенным в исследовательском центре Французской комиссии по атомной энергии (CEA) в Фонтене-о-Роз , коммуне в юго-западном пригороде Парижа . Проект возглавил Поль-Анри Ребут , и его иногда в шутку называют «Tokamak façon Rebut».
СКР был примерно такого же размера, как современный советский Т-3 и американский симметричный токамак , но имел больший внутренний объем плазмы и гораздо более мощный источник питания, который создавал плазменные токи до 400 000 ампер и длительностью до полсекунды. Завершенный в 1973 году, он оставался самым мощным токамаком в мире до 1976 года, когда его превзошел Принстонский Большой Тор . За время своего существования он претерпел несколько крупных обновлений, которые постоянно улучшали его характеристики.
Среди главных открытий, сделанных в области СКР, была проблема убегающих электронов . В 1973 году, всего через несколько месяцев после начала эксплуатации, такое событие прожгло вакуумный сосуд, что потребовало капитального ремонта. Следующее исследование выявило новый тип нестабильности плазмы , который ранее не замечался, сегодня известный как неоклассический транспорт . С тех пор было обнаружено ряд подобных проблем, и теперь все они классифицируются как «сбои».
Вакуумный сосуд на замену был быстро поставлен, и вскоре устройство достигло своих проектных целей. Позже он несколько раз расширялся за счет более мощных источников питания и большего количества систем отопления. СКР был выведен из эксплуатации в 1986 году, на тот момент это был старейший действующий токамак. Его заменил Торе Супра в главном атомном исследовательском центре Франции Кадараше .
История
[ редактировать ]Токамак раш
[ редактировать ]Когда концепция токамака была впервые раскрыта советскими исследователями в 1965 году, результаты были настолько хороши, что международные наблюдатели сразу же отмахнулись от них. Последующее наблюдение в 1968 году показало еще лучшие результаты: в 10–100 раз больше, чем в других лабораториях. [1] [2] Другие лаборатории снова отвергли советские результаты. Однако на этот раз Лев Арцимович был готов. Он пригласил группу британских исследователей, получившую прозвище «Калхэмская пятерка», измерить электронную температуру в устройстве Т-3, используя их недавно разработанное диагностическое оборудование по лазерному рассеянию Томсома , чтобы проверить, были ли измеряемые ими температуры точными. [3] После нескольких месяцев настройки и калибровки к лету 1969 года измерения, проведенные под руководством Дерека Робинсона, показали, что результаты были даже лучше, чем Советы сообщали в предыдущем году. [4] [5]
Результатом является то, что сегодня известно как «порыв токамака». Эти результаты позволили предположить, что токамак был первым крупномасштабным устройством, которое явно преодолело существенный барьер на пути прогресса на тот момент — диффузию Бома . Хотя некоторые эксперименты в Великобритании и США также показали признаки превышения этого предела, они делали это при более низких температурах, которые были бесполезны для термоядерного устройства. токамака Плазма оставалась стабильной даже при самых высоких температурах, на которые было способно устройство. Интерес почти ко всем другим подходам угас, и к 1970 году по всему миру предпринимались десятки попыток превзойти советские результаты. [6]
СКР
[ редактировать ]В 1970 году было принято решение сосредоточить все исследования в области термоядерного синтеза во Франции в Фонтене-о-Роз , что отражает аналогичное решение Великобритании, которое привело к созданию UKAEA в Калхэме в 1965 году. Планирование СКР началось немедленно под руководством Поля-Анри Ребута и этот дизайн иногда в шутку называют «Tokamak façon Rebut». [7] Основанные во многом на конструкции советского Т-3, СКР были аналогичны по размерам и конструкции, но имели гораздо более мощные источники питания, которые позволяли им производить плазму более высокой плотности и в течение более длительного времени. [8] и больший внутренний объем плазмы - 1 кубический метр. Для сравнения, объём современного токамака ИТЭР составляет 840 кубических метров. [7]
СКР произвел свою первую плазму 22 марта 1973 года. Система быстро наращивала мощность, пока три месяца спустя во внутренней стенке вакуумной камеры не прогорела дыра. Причиной этого быстро определили пучок быстрых электронов с энергией примерно 50 кэВ. Луч, образованный путем захвата электронов магнитным зеркалом, образовавшимся внутри тора, достиг критического порога. [9] В этот момент взаимодействие между электронами и окружающей плазмой вызывает эффект, который впервые был предложен как механизм распространения молнии . [10]
Этот ранее невидимый эффект зеркального отражения сегодня известен как неоклассический транспорт , который формируется за счет того, что магнитное поле сильнее на внутреннем радиусе тороида, чем на внешнем, вызывая отражение частиц низкой энергии, когда они движутся по путям, которые приближают их к внутренний край. По мере того, как все больше этих частиц накапливается на этих «банановых орбитах», названных так из-за их изогнутой формы, они могут достичь точки, в которой у них будет достаточная плотность, чтобы создать канал заряда, который ускоряет их в окружающей плазме, и в результате возникают электронные всплески. известные как убегающие электроны . [9] Сегодня эти события являются частью более крупной группы аналогичных проблем, известных под общим названием «сбои». [11]
Вакуумная камера была заменена, и эксперименты снова начали повышать производительность, достигнув первоначальных целей производительности в октябре 1974 года. К тому времени TFR был самым мощным токамаком в мире, достигая ионной температуры 1 кэВ и Лоусона критерия 2,5 ⨉ 10 12 /см³с. [8]
Даже при использовании более мощных источников питания система не смогла нагреть плазму до температур термоядерного синтеза. Это была одна из основных проблем базовой конструкции токамака по сравнению с более ранними системами, такими как Z-пинч , которые также сильно нагревали плазму. Чтобы решить эту проблему, СКР планировал почти с самого начала [12] включить инжектор нейтрального луча , или NBI, который использует ускоритель небольших частиц для запуска отдельных атомов топлива в реакционную камеру. NBI поставляет как свежее топливо, так и энергию для нагрева плазмы. К концу 1975 года инжекторы мощностью 500 кВт подняли рабочие температуры до 2 кэВ, хотя и при относительно низкой плотности электронов 4,4 ⨉ 10 13 /см³. [8]
Продолжающиеся улучшения
[ редактировать ]В 1977 году вакуумная камера была заменена новой конструкцией, в которой удалена внутренняя медная оболочка , которая использовалась для стабилизации плазмы. Советские исследователи разработали новую систему с использованием дополнительных магнитов и управления с обратной связью, предотвращающую вертикальное движение плазмы, которое ранее совершал снаряд. [13] Новая планировка не только упростила конструкцию, но и позволила иметь в камере больше точек доступа. [8]
Ограничитель был заменен на сделанный из инконеля . Первоначально в системе использовался ограничитель из молибдена , высокая температура плавления которого позволяла ему лучше поглощать тепловую нагрузку попадающих на него ионов. Это также привело к распылению молибдена в плазму, в результате чего средняя атомная масса плазмы, или Z, превысила 3. Энергия теряется в стабильной плазме в основном за счет производства света (в данном контексте известного как излучение). который является произведением температуры и атомной массы. Из-за Z>3 плотность электронов не могла быть увеличена выше 6 ⨉ 10 13 /см³. Новый лайнер вместе с новым режимом систематической очистки снова уменьшил Z до 1 и позволил увеличить плотность до 1,2 ⨉ 10. 14 /см³. [8]
После 1978 года внимание было обращено на обеспечение большего нагрева за счет использования нагрева на частоте ионно-циклотронного резонанса или ICRF. ICRF использует радиочастотную энергию, настроенную на циклотронную частоту ионов, чтобы добавить к ним энергию, подобно тому, как микроволновая печь нагревает воду.
В период с августа 1976 года по сентябрь 1977 года СКР был разобран и заменен на новую конструкцию, иногда известную как СКР-600 . [14] Основным отличием от предыдущей версии был максимальный радиус плазмы 24 сантиметра (9,4 дюйма) в сочетании с улучшенным источником питания, способным генерировать ток плазмы 600 кА. [13] К августу 1981 года добавление еще пяти линий NBI увеличило мощность нагрева ICRF до 2,2 МВт и создало плазму с энергией 2 кэВ с высокой центральной плотностью электронов 2 ⨉ 10. 14 /см³. [12]
Ограничитель из инконеля улучшил среднее значение Z, но все равно приводил к появлению ионов никеля в плазме. В 1982 году его заменили на углеродный, что значительно уменьшило атомную массу, и с этого момента основные потери происходили не из-за радиации, а из-за потерь электронов. была установлена новая система нагрева на частоте электронного циклотронного резонанса Примерно в 1985 году в сотрудничестве с Институтом физики плазмы Райнхейзен (FOM) . После окончания этих экспериментов TRF закрылся после двенадцати лет работы, и на тот момент это был самый старый токамак из действующих. [15]
Описание
[ редактировать ]TFR был типичным для ранних конструкций токамаков, в котором для плазмы использовалось цилиндрическое поперечное сечение. Вакуумная камера первой версии (TFR 400), использовавшаяся с апреля 1973 по август 1976 года, имела умеренные размеры, чтобы удерживать плазму в пределах радиуса 20 см (7,9 дюйма) в трубке, изогнутой в кольцо радиусом 98 сантиметров (39 дюймов). . [16] TFR 600 был похож на TFR 400, за исключением того, что толстый медный корпус был удален, что позволило получить радиус плазмы 24 см (9,4 дюйма) и ток плазмы 600 кА. [14]
Однако из-за внутреннего устройства TFR-600 имел больший полезный объем плазмы (1 кубический метр), чем другие ранние токамаки, такие как советский Т-3. Другим важным отличием был гораздо более мощный источник питания, который мог обеспечивать ток до 400 000 ампер в течение четверти секунды или более низкую силу тока в течение полсекунды. [7]
Основной опорой плазмы была серия из восьми больших тороидальных магнитов, равномерно распределенных вокруг тора, способных генерировать тороидальное магнитное поле силой до 6 Тесла . [16] Внутри них находились два полоидальных магнита меньшего размера, над и под плазменной камерой. Ток в плазму индуцировался с помощью сердечника трансформатора, помещенного между двумя тороидальными магнитами. Его местоположение можно увидеть по большим силовым кабелям, идущим к нему в верхней части сборки. [7] Между тороидальными магнитами имеется значительное открытое пространство, откуда доступен доступ к плазменной камере. Эти части имеют ряд портов для впрыска топлива, систем отопления и различных диагностических систем. [7]
Первоначальная версия стоила в общей сложности 15 миллионов франков, почти половина из которых была профинансирована . Европейской программой ядерных исследований и обучения Евратома [7] [17] [18]
Ссылки
[ редактировать ]Цитаты
[ редактировать ]- ^ Арну, Робер (4 августа 2008 г.). «Август 1968 года: революция в термоядерном синтезе» . ИТЭР . Проверено 17 июля 2024 г.
- ^ Кадомцев, Борис Б. (31 января 1969). «Третья международная конференция по физике плазмы и исследованиям управляемого ядерного синтеза (Новосибирск, 1–7 августа 1968 г.)» (PDF) . Успехи советской физики . 12 (1): 133–134. дои : 10.1070/pu1969v012n01abeh003921 . ISSN 0038-5670 .
- ^ Смирнов, ВП (2010). «Основание токамака в СССР/России 1950–1990» . Ядерный синтез . 50 (1): 014003. doi : 10.1088/0029-5515/50/1/014003 . ISSN 0029-5515 .
- ^ Арну, Робер (9 октября 2009 г.). «В Россию с термометром» . ИТЭР .
- ^ Пикок, Нью-Джерси; Робинсон, округ Колумбия; Форрест, MJ; Уилкок, PD; Санников В.В. (ноябрь 1969 г.). «Измерение температуры электронов методом томсоновского рассеяния в токамаке Т3» . Природа . 224 (5218): 488–490. дои : 10.1038/224488a0 . ISSN 1476-4687 .
- ^ Бромберг 1982 , с. 181-185.
- ^ Перейти обратно: а б с д и ж Арну 2013 .
- ^ Перейти обратно: а б с д и СКР 1985 , с. 1025.
- ^ Перейти обратно: а б Электроны 1975 .
- ^ Гуревич Александр и Зыбин Кирилл (май 2005 г.). «Безудержный пробой и тайны молнии». Физика сегодня . 58 (5): 37–43. Бибкод : 2005ФТ....58е..37Г . дои : 10.1063/1.1995746 .
- ^ Тенненбаум, Джонатан (11 мая 2023 г.). «Прорывы Китая на Востоке сокращают путь к термоядерной энергии» . Азия Таймс .
- ^ Перейти обратно: а б СКР 1985 , с. 1027.
- ^ Перейти обратно: а б Браамс и Стот 2002 , с. 153.
- ^ Перейти обратно: а б Группа СКР (апрель 1979 г.). «Удержание плазмы в токамаке СКР». Журнал магнетизма и магнитных материалов . 11 (1–3): 332–344. Бибкод : 1979JMMM...11..332T . дои : 10.1016/0304-8853(79)90285-3 .
- ^ СКР 1985 , с. 1031.
- ^ Перейти обратно: а б Команда СКР (август 1977 г.). «Результаты экспериментов по удержанию и нагреву плазмы в токамаке Фонтене-о-Роз (TFR)» (PDF) . Журнал физических коллоквиумов (на французском языке). 38 (С3): С3–9–С3-19. дои : 10.1051/jphyscol:1977302 . ISSN 0449-1947 .
- ^ Ассоциация Евратом/CEA. «Управляемый термоядерный синтез» . КОРДИС | Европейская комиссия . Проверено 19 июля 2024 г.
- ^ Палумбо, Донато (1987). «Характер и перспективы термоядерной программы Евратома» . Философские труды Лондонского королевского общества. Серия А, Математические и физические науки . 322 (1563): 199–211. Бибкод : 1987RSPTA.322..199P . дои : 10.1098/rsta.1987.0048 . ISSN 0080-4614 . JSTOR 37751 .
Библиография
[ редактировать ]- Арну, Робер (декабрь 2013 г.). «40 лет назад чемпион мира по токамаку был французом» . ИТЭР Маг .
- Браамс, CM; Стот, ЧП (20 июня 2002 г.). Ядерный синтез: полвека исследований термоядерного синтеза с магнитным удержанием . Институт физики. ISBN 9781420033786 .
- «TFR, токамак Фонтене-о-Роз». Журнал ядерного синтеза . 25 (9): 1025–1032. Сентябрь 1985 г. doi : 10.1088/0029-5515/25/9/005 . ISSN 0029-5515 .
- Бромберг, Джоан Лиза (1982). Термоядерный синтез: наука, политика и изобретение нового источника энергии . МТИ Пресс. ISBN 978-0-262-02180-7 .
- Убегающие электроны и аномальное рассеяние электронов, захваченных в локальных впадинах токамака СКР (Технический отчет). Евратом-СЕА. Декабрь 1975 года.
- Ребут, PH (1973). «СКР Токомак в Фонтене-о-Роз и шаги на пути к термоядерному реактору». Дж.Физ. Конференции . 34 : С2-49 – С2-58. дои : 10.1051/jphyscol:1973211 .
Внешние ссылки
[ редактировать ]- Официальный сайт CEA (на английском языке)
- Страница CEA об истории исследований термоядерного синтеза (на французском языке)
Термоядерная энергия , процессы и устройства |
|---|
