Эксперимент с тандемным зеркалом

ТМХ и ТМХ-У

Эксперимент с тандемным зеркалом
Эксперимент с тандемным зеркалом (TMX) в 1979 году.
Тип устройства	Магнитное зеркало
Расположение	Ливермор , Калифорния , США
Принадлежность	Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса
История
Дата(ы) постройки	1977 – 1979
Год(ы) работы	1979–1987
Предшественник	2XIIB
Связанные устройства	Стенд для испытаний зеркальной сварки (MFTF)

Эксперимент с тандемным зеркалом ( TMX и TMX-U ) — машина с магнитным зеркалом, работавшая с 1979 по 1987 год в Ливерморской национальной лаборатории имени Лоуренса . Это была первая крупномасштабная машина, протестировавшая концепцию «тандемного зеркала», в которой два зеркала удерживали между собой большой объем плазмы , чтобы повысить эффективность реактора.

Оригинальный TMX был спроектирован и построен за короткий период времени между его концепцией на крупной конференции по физике в Германии в октябре 1976 года, проектированием в январе 1977 года и завершением в октябре 1978 года. В течение следующего года он подтвердил подход к тандемному зеркалу. В планах было построить гораздо более крупную машину, основанную на тех же принципах, - испытательную установку для зеркального синтеза (MFTF). Первоначально MFTF представлял собой просто увеличенную версию TMX, но когда конструкция была изучена, выяснилось, что она не достигнет желаемых характеристик. Требовалась какая-то система, которая повышала бы внутреннюю температуру топлива.

Решение было найдено в виде « тепловых барьеров », которые будут улавливать высокоэнергетические электроны и позволят увеличить энергию топлива без увеличения утечки. MTFT был модифицирован для добавления барьеров и стал MTFT-B. Когда началось строительство MFTF-B, к TMX были добавлены тепловые барьеры, которые в 1982 году стали называться TMX-U. Хотя TMX-U подтвердил концепцию в целом, тепловые барьеры не были стабильными. К этому времени MFTF-B был почти завершен, и финансирование было отменено на следующий день после его завершения. ТМХ-У продолжал работать до февраля 1987 года.

История

и

Машины с магнитными зеркалами были одними из первых серьезных проектов термоядерных реакторов, наряду со стелларатором и z-пинчем . Машина была очень простой и состояла в основном из соленоида , провода которого были намотаны не равномерно, а на каждом конце имели участки с большим количеством витков. Когда ток протекал по обмоткам, возникающее магнитное поле сжимало концы, заставляя электроны и ионы отражаться обратно в центр и, таким образом, оставаться удерживаемыми. Ричард Ф. Пост из Ливерморской национальной лаборатории Лоуренса (LLNL) стал основным сторонником этой концепции, а Ливермор стал всемирным центром исследований зеркал.

В знаменитом выступлении 1954 года Эдвард Теллер выразил убежденность в том, что таким машинам, как зеркало, присуща нестабильность, сегодня известная как нестабильность обмена , которая делает их неспособными удерживать плазму в течение какого-либо времени, близкого к требуемым. В то время, когда программа только зарождалась, ни одна из существующих машин не могла удерживать плазму достаточно долго, чтобы проверить, правда ли это. К 1960 году Ливермор построил несколько зеркальных машин все большего размера с более длительным временем удержания, и никаких намеков на проблему обнаружить не удалось.

Тайна была раскрыта на международной встрече в 1961 году, когда Лев Арцимович спросил, откалибровали ли ливерморские команды конкретный измерительный прибор, чтобы учесть задержку в его показаниях. Они этого не сделали; сразу стало понятно, что измеряемая стабильность была иллюзорной, кажущаяся миллисекундная стабильность на самом деле была миллисекундной задержкой в ​​показаниях, и плазма фактически сразу же становилась нестабильной. Арцимович заключил, что "у нас сейчас нет ни одного экспериментального факта, указывающего на длительное и стабильное заключение".

Бейсболы и инь-ян

Baseball II представлял собой сверхпроводящую версию конструкции бейсбольной катушки, которую можно было увидеть здесь в 1969 году во время строительства. Эти конструкции продемонстрировали, что плазма в зеркале может быть стабильной.

В отличие от ливерморских команд, их советские коллеги из Иоффе уже некоторое время наблюдали признаки нестабильности обмена. Уже было проведено значительное количество исследований о том, как избежать этой проблемы, и на том же совещании в 1961 году Михаил Иоффе представил данные одной такой конструкции, «минимум-Б», которые показали четкие сигналы того, что она подавляет эту нестабильность. В эту конструкцию были добавлены дополнительные токоведущие провода, которые изменяли магнитное поле, сгибая плазму в форму галстука-бабочки, а не в простой цилиндр. Шесть дирижеров были известны как «Иоффе-бары».

Новая версия той же базовой концепции появилась в Великобритании, «теннисный мяч», который был быстро подхвачен в Ливерморе, американизирован до «бейсбольных катушек» и встроен в серию машин, известных как ALICE, Baseball I и II. В этих машинах использовался один магнит, что значительно упрощало их сборку, а также они имели то преимущество, что имели очень большой внутренний объем, что позволяло легко вставлять диагностические данные. Обратной стороной этой конструкции было то, что магнит был очень большим по сравнению с объемом содержащейся в нем плазмы. из Ливермора Кен Фаулер взял эту базовую конструкцию и модифицировал ее, чтобы создать вариант «инь-ян», магниты которого были намного ближе к плазме. Это было построено на машинах серии 2X.

Поскольку новые бейсбольные машины продемонстрировали огромную стабильность, оказалось, что с использованием этой конструкции можно построить действующий термоядерный реактор. Из двух конструкций, бейсбольной и инь-янь, физики обычно предпочитали первую, поскольку она имела более легкий доступ для диагностических систем и что она также имела бы преимущество в реальном реакторе, поскольку обеспечивала бы более легкий доступ для обслуживания.

Токамак давка

Эти результаты появились в начале 1970-х годов, что совпало с энергетическим кризисом 1970-х годов и, как следствие, массовым вливанием капитала федеральным правительством США в новые формы энергии. Управление по термоядерному синтезу, находившееся теперь под руководством Роберта Л. Хирша , начало перенаправлять лаборатории от чистых исследований к попыткам создать работающую конструкцию реактора. Токамак представлял собой очевидный путь к этой цели, и Хирш начал финансировать несколько крупных проектов по разработке токамаков , что стало известно как «давка токамаков». Он также хотел иметь хотя бы одну резервную концепцию на случай, если что-то произойдет, когда токамаки станут больше. Двумя наиболее успешными разработками того времени были тета-пинч и зеркала.

Помощник Хирша, Стивен О. Дин , посетил LLNL и сказал им, что для того, чтобы продолжать работу, им придется создать конструкцию, которая будет конкурентоспособна токамакам в краткосрочной перспективе. Он отметил, что в этом отношении, хотя бейсбол может быть лучшим дизайном, в краткосрочной перспективе 2X будет иметь более высокую производительность и больше шансов догнать токамаки. Сотрудники LLNL были оскорблены тем, что вашингтонские бюрократы пытались указывать им, как выполнять свою работу, но Дин отметил, что Хирш уже закрыл две другие программы LLNL: «Астон» и «Левитрон» . Если лаборатория не сможет продемонстрировать практически значительное улучшение производительности, она также может потерять свою зеркальную программу. Он нашел союзника в лице директора лаборатории Джона Фостера-младшего , который в целом согласился с оценкой Дина политической ситуации.

более крупная машина, известная как 2XIIB В ответ усилия над Baseball II были сокращены, и вместо оригинальной 2XII была разработана . Основным изменением стало добавление большего количества инжекторов нейтрального луча с двух до двенадцати, что значительно улучшило плотность и температуру плазмы. 2XIIB был построен быстро и начал работу в 1975 году, быстро достигнув поставленных перед собой целей по производительности с точки зрения температуры и плотности.

Успех 2XIIB позволил Дину в апреле 1976 года получить разрешение на финансирование строительства того, что, по сути, было увеличенной версией 2XIIB, известной как MX, установив начальную дату эксплуатации в 1981 году.

Q и тандемные зеркала

Дин также отметил, что в долгосрочной перспективе ни бейсбол, ни инь-ян, похоже, не имеют какого-либо очевидного преимущества с точки выигрыша или Q. зрения Хотя MX может соответствовать плазменным характеристикам новых токамаков, расчеты показали, что даже в самом лучшем случае он будет ограничен примерно Q = 1,2, тогда как коммерчески полезной системе, вероятно, потребуется иметь 10 или более. У токамаков такого ограничения, по-видимому, не было. Чтобы оставаться актуальным после следующей серии проектов, LLNL придется найти способ значительно Q. улучшить Это вызвало бурную дискуссию на тему «улучшения Q».

Решение было в конечном итоге предложено Т. Кеннетом Фаулером из LLNL позже в 1976 году; он и Дэвид Болдуин разработали концепцию, теперь известную как «тандемное зеркало», в которой зеркала, подобные 2XIIB, были размещены на обоих концах большого соленоида между ними. Два зеркала сами по себе по-прежнему будут иметь относительно низкую добротность , но со временем горячая плазма, которую они естественным образом просочили, нагрела топливо в соленоиде до такой степени, что оно также начало подвергаться термоядерному синтезу. В тот момент количество выделяемой энергии было ограничено только размером этого центрального резервуара, для питания которого требовалось гораздо меньше энергии, чем для зеркал 2X на обоих концах. Таким образом, будет подвергаться синтезу гораздо большее количество топлива, требуя лишь небольшого количества дополнительной энергии.

Проблема заключалась в том, что зеркала по своей природе симметричны: если бы топливо могло вытечь с одного конца в бак, оно могло бы с такой же легкостью вытечь и с другого и полностью улетучиться. Чтобы решить эту проблему, тандемное зеркало стремилось создать «амбиполярную» плазму. В идеале это позволяло ему по-разному содержать электроны и ионы . Поскольку ионы намного массивнее электронов , они могут существовать одновременно с разными скоростями, тогда как электроны почти всегда движутся с высокой скоростью. Захватывая объем ионов в зеркалах, электроны будут притягиваться к двум сторонам реактора, образуя область отрицательного заряда. Ионы более высоких энергий, выходящие из центра зеркал, будут преимущественно притягиваться к этим отрицательным областям, в центр реактора.

ТМХ

Учитывая это достижение, предполагающее, что зеркало может быть использовано как для обеспечения безубыточности, так и в качестве практического реактора, LLNL предложила построить машину меньшего размера, чем MX, для проверки схемы. Официальное предложение было представлено недавно сформированному Министерству энергетики 12 января 1977 года. и утвердил в том же месяце. Baseball II был разобран, а на его месте построили TMX, который начал работу в октябре 1978 года.

Машина быстро продемонстрировала, что базовая концепция тандемного зеркала верна. На этом основании LLNL получила добро на начало строительства гораздо более крупного MFTF, стоимость которого теперь составляет 200 миллионов долларов. MFTF был разработан для достижения Q = 1, также известного как «безубыточность», и демонстрирует путь к конструкции, производящей электроэнергию.

Тепловые барьеры и ТМХ-У

Поскольку электроны движутся в плазме более свободно, они имеют тенденцию вытекать из зеркальной машины быстрее, чем ионы топлива. Со временем это приводит к тому, что масса топлива, оставшегося внутри зеркала, все больше состоит из ионов. Это, в свою очередь, создает чистый положительный заряд, создавая дополнительные силы, которые помогают вытолкнуть топливо из зеркала, увеличивая скорость утечки. Именно эта утечка ограничивала добротность машины ; для противодействия этому требовались чрезвычайно мощные магниты, которые требовали большого количества энергии и, таким образом, снижали чистую мощность.

Был предпринят ряд попыток решить эту проблему путем введения нового топлива в концы зеркала с помощью ускорителей малых частиц . В 1979 году Фаулер, Дэвид Болдуин и Грант Логан предложили новую конструкцию этих форсунок, которая, как оказалось, способна создать «тепловой барьер», который должен значительно уменьшить утечку. Идея заключалась в том, чтобы ввести новые топливные ионы в концы зеркальных ячеек, чтобы эффективная температура на концах была выше, чем в центре. создавало кинетический барьер для топлива в центральном баке и могло значительно снизить скорость утечек, тем самым еще больше улучшая Q. Это

Прогресс был настолько велик, что казалось, что существующая концепция MFTF, по сути, увеличенный TMX, не будет служить никакой цели. Чтобы проверить эту концепцию, в 1979 году Фаулер предложил отключить TXM после завершения его текущих экспериментальных запусков в 1981 году. Затем он будет перестроен с конечными элементами в новой конфигурации, как TMX-U. Ожидалось, что TMX-U будет доступен только в 1983 году, что привело бы к длительной задержке проекта MFTF, если бы та же идея была использована и в этом проекте. В конце 1979 года Фаулер предложил продолжить строительство MTFT-B с допуском, чтобы при необходимости можно было модифицировать форсунки на основе результатов TMX-U. Новый директор по исследованиям в области термоядерного синтеза Эд Кинтер одобрил план, и MFTF стал MFTF-B, что означает «барьер».

В конечном итоге этот план оказался неразумным. Когда TMX-U начал работу, стало ясно, что улучшения от новых форсунок далеки от того, на что от них надеялись. Когда эти результаты были масштабированы на проект MFTF-B, стало ясно, что он не сможет достичь безубыточности. Строительство MFTF-B, которое уже шло полным ходом, было разрешено продолжить, но проект был прекращен и закрыт 22 февраля 1986 года, на следующий день после того, как его строительство было объявлено завершенным. В том же месяце TMX-U произвел свои последние выстрелы. Позже Дин прокомментировал, что в их попытках догнать токамаки программа зеркал была слишком жесткой.

LLNL, получившая с 1974 года 720 миллионов долларов на свою зеркальную программу, закрыла свою зеркальную программу и переключила свое внимание на подход к термоядерному синтезу с инерционным удержанием . зеркальные программы в Массачусетском технологическом институте (Тара) и Университете Висконсина (Федр) были прекращены. В следующем году

Дизайн

Рабочий проверяет выравнивание части фигурных бейсбольных катушек.

TMX был официально предложен Фредом Коенсгеном и командой Ливермора 12 января 1977 года Управлению энергетических исследований и разработок США . Стоимость проекта оценивалась в 11 миллионов долларов. Конструкция состояла из пяти колец тока вокруг плазмы. На концах используются магниты в форме бейсбольного мяча, предотвращающие выход плазмы. Эта конструкция создавала магнитные силы, которые возрастали во всех направлениях от центра области зеркала. Термоядерная плазма в форме скрученного галстука-бабочки заключена внутри магнитного зеркала. Разработка соответствующих заглушек была непростой задачей для всех машин с магнитными зеркалами. Позже бейсбольный дизайн был заменен экзотическими магнитами Инь-Ян MFTF . Проблемы с выходом плазмы привели исследователей к токамаку , где пробки были устранены путем объединения поля в петлю.

ТМХ-У

Сводка результатов первоначальных экспериментов с TMX была опубликована в феврале 1981 года. В это время на объекте проводился капитальный ремонт. Для лучшего сдерживания плазмы был добавлен тепловой барьер, количество колец увеличено до более чем десяти. Была капитально отремонтирована вакуумная и диагностическая система и добавлены дополнительные магниты для компенсации потерь. Новая машина получила обозначение «ТМХ-У». и он действовал до конца восьмидесятых.

Критика

Лоуренс Лидски раскритиковал машины с магнитными зеркалами, сказав: «Они продолжали добавлять по одному набору магнитов в год, пока он не рухнул под собственным весом». и в своей статье « Проблема с Fusion ».

Дальнейшее чтение

• «Эксперимент «Тандемное зеркало» с тепловыми барьерами» Г.А. Карлсон, UCRL-52836, 19 сентября 1979 г.
• "Термоядерные системы удержания с двойными зеркальными системами" Г.И. Димова, Советский журнал физики плазмы, том 2 номер 4
• «Потери ионов из зеркальной ловушки с торцевым краем» Д. П. Чернин, М. Н. Розенблют, Институт перспективных исследований ядерного синтеза, 1978 г.
• «Улучшенный тандемный зеркальный термоядерный реактор», Д.Е. Болдуин, Physical Review Letters, 29 октября 1979 г.

Ссылки

Библиография

• Бут, Уильям (9 октября 1987 г.). «Нафталин Fusion стоимостью 372 миллиона долларов» . Наука . 238 (4824): 152–155. Бибкод : 1987Sci...238..152B . дои : 10.1126/science.238.4824.152 . ПМИД   17800453 .
• Бромберг, Джоан Лиза (1982). Термоядерный синтез: наука, политика и изобретение нового источника энергии . МТИ Пресс . ISBN  9780262021807 .
• Дин, Стивен (2013). Поиски окончательного источника энергии . Спрингер. ISBN  9781461460374 .
• Герман, Робин (2006). Термоядерный синтез: поиск бесконечной энергии . Издательство Кембриджского университета. ISBN  9780521024952 .
• Теллер, Эдвард (1981). Термоядерный синтез, часть A: Магнитное удержание, часть 1 . Академическая пресса. ISBN  9780323147804 .