Национальный эксперимент по компактному стелларатору

Национальный эксперимент по компактному стелларатору , NCSX сокращенно , представлял собой энергетический эксперимент магнитного термоядерного синтеза , основанный на конструкции стелларатора , строящегося в Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL).

NCSX был одной из многих новых конструкций стеллараторов 1990-х годов, возникших после того, как исследования продемонстрировали новую геометрию, обеспечивающую лучшую производительность, чем более простые машины 1950-х и 1960-х годов. По сравнению с более распространенным токамаком , их было гораздо сложнее спроектировать и построить, но они производили гораздо более стабильную плазму, что является основной проблемой успешного термоядерного синтеза.

Проект оказался слишком сложным для реализации, поскольку бюджет и сроки неоднократно превышали его. В конечном итоге проект был отменен 22 мая 2008 года. ^[1] потратив более 70 миллионов долларов. ^[2]

Wendelstein 7-X исследует многие из тех же концепций, которые намеревался реализовать NCSX.

История

Ранние стеллараторы

Стеллараторы — одна из первых концепций термоядерной энергии , первоначально разработанная астрофизиком из Принстона Лайманом Спитцером в 1952 году во время поездки на кресельных подъемниках в Аспене . Спитцер, рассматривая движение плазмы в звездах, понял, что любое простое расположение магнитов не сможет удержать плазму внутри машины — плазма будет дрейфовать по полям и в конечном итоге ударить по кораблю. Его решение было простым; изгибая машину на 180 градусов, образуя восьмерку вместо бублика, плазма попеременно оказывалась внутри или снаружи сосуда, дрейфуя в противоположных направлениях. Устранение суммарного дрейфа не было бы идеальным, но на бумаге казалось, что задержки скорости дрейфа было более чем достаточно, чтобы позволить плазме достичь условий термоядерного синтеза.

На практике оказалось, что это не так. Проблема, наблюдавшаяся во всех конструкциях термоядерных реакторов того времени, заключалась в том, что ионы плазмы дрейфовали гораздо быстрее, чем предсказывала классическая теория, в сотни и тысячи раз быстрее. Конструкции, предполагавшие стабильность порядка секунд, превратились в машины, стабильные в лучшем случае в течение микросекунд. К середине 1960-х годов вся область термоядерной энергетики, казалось, застопорилась. Только внедрение токамака в 1968 году спасло эту область; Советские машины работали как минимум на порядок лучше, чем западные образцы, хотя все еще далеки от практической ценности. Улучшение было настолько значительным, что работа над другими проектами в основном прекратилась, когда команды по всему миру начали изучать подход токамака. Сюда входили новейшие разработки стеллараторов; Модель C только недавно начала работу и была быстро преобразована в симметричный токамак.

К концу 1980-х годов стало ясно, что, хотя токамак был большим шагом вперед, он также создал новые проблемы. В частности, плазменный ток, используемый токамаком для стабилизации и нагрева, сам по себе был источником нестабильности по мере роста тока. Большая часть последующих 30 лет разработки токамаков была сосредоточена на способах увеличения этого тока до уровня, необходимого для поддержания полезного термоядерного синтеза, при этом гарантируя, что тот же ток не приведет к распаду плазмы.

Компактные стеллараторы

Когда масштабы проблемы с токамаком стали очевидны, команды по термоядерному синтезу по всему миру начали по-новому смотреть на другие концепции дизайна. Среди множества идей, отмеченных в ходе этого процесса, в стеллараторе, в частности, оказался ряд потенциальных изменений, которые значительно улучшат его производительность.

Основная идея стелларатора заключалась в использовании расположения магнитов для компенсации дрейфа ионов, но простые конструкции 1950-х годов не позволяли этого в необходимой степени. Более серьезной проблемой были нестабильности и эффекты столкновений, которые значительно увеличивали скорость диффузии. В 1980-е годы было отмечено, что одним из способов улучшения характеристик токамака является использование некруглых поперечных сечений для области удержания плазмы; ионы, движущиеся в этих неоднородных областях, будут смешиваться и разрушать образование крупномасштабных нестабильностей. Применение той же логики к стелларатору, похоже, дает те же преимущества. Тем не менее, поскольку в стеллараторе отсутствовал или был понижен ток плазмы, плазма с самого начала была бы более стабильной.

Если принять во внимание расположение магнита, необходимое для достижения обеих целей: витой путь по окружности устройства, а также множество мелких изгибов и сочетаний на этом пути, то конструкция становится чрезвычайно сложной, намного превосходящей возможности традиционных инструментов проектирования. Только благодаря использованию компьютеров с массовым параллелизмом конструкции можно было тщательно изучить и создать подходящие конструкции магнитов. В результате получилось очень компактное устройство, значительно меньшее снаружи, чем классическая конструкция для любого заданного объема плазмы, с низким соотношением сторон . Более низкие соотношения сторон весьма желательны, поскольку они позволяют машине любой заданной мощности быть меньше, что снижает затраты на строительство.

К концу 1990-х годов исследования новых конструкций стеллараторов достигли подходящей точки для создания машины, использующей эти концепции. По сравнению со стеллараторами 1960-х годов, новые машины могли использовать сверхпроводящие магниты для гораздо более высокой напряженности поля, были лишь немного больше, чем модель C, но имели гораздо больший объем плазмы и имели область плазмы внутри, которая варьировалась от круглой до плоской и назад, несколько раз скручивая.

дизайн NCSX

Детали плазмы

Большой радиус: 1,4 м, Соотношение сторон: 4,4, ^[3]^: 3
Магнитное поле: 1,2–1,7 Тл (до 2 Тл на оси в течение 0,2 с). ^[4])
поле квазиосесимметричное , всего 3 периода поля. ^[4] Стремится к бета > 0,04. ^[4]

Магнитные катушки

18 модульных катушек (по 6 типов А, В, С) из намотанной медной проволоки, охлаждаемых жидким азотом (LN2),
18 тороидальных катушек, медные, охлаждаемые LN2,
6 пар катушек полоидального поля, медные, охлаждаемые LN2,
48 триммерных катушек. ^[3]^: 3

18 модульных катушек имеют сложную трехмерную форму, ~9 различных кривых в разных плоскостях. Некоторым катушкам потребуется 15 минут для повторного охлаждения между высоким I ²Плазма бежит. ^[5]^: 4

Плазменный нагрев: Поскольку в стеллараторе отсутствует ток плазмы токамака в качестве формы нагрева, нагрев плазмы осуществляется с помощью внешних устройств. Для камеры NCSX было бы доступно до 12 МВт внешней мощности нагрева, включая 6 МВт от тангенциальной инжекции нейтрального луча и 6 МВт от радиочастотного (РЧ) нагрева (по сути, микроволновой печи ). до 3 МВт электронного циклотронного нагрева. В будущих версиях конструкции также будет доступно

Базовая общая стоимость проекта составляет 102 миллиона долларов США, дата завершения - июль 2009 года. ^[1]

Первые контракты заключены в 2004 году. ^[4]

Строительство NCSX

Когда проектирование было в основном завершено, PPPL приступила к созданию такой машины, NCSX, которая должна была протестировать все эти концепции. В конструкции использовалось восемнадцать сложных магнитов с ручной намоткой, которые затем нужно было собрать в машину, максимальное отклонение от идеального размещения которой составляло не более 1,5 миллиметров (0,059 дюйма) по всему устройству. ^[6] Вакуумный сосуд, окружающий все это, также был очень сложным, с дополнительными сложностями в прокладке всей проводки для подачи энергии на магниты. ^[7]

Допуски при сборке были очень жесткими и требовали использования современных метрологических систем, включая лазерный трекер и фотограмметрическое оборудование. Для завершения сборки с соблюдением требований по допускам потребовалось дополнительное финансирование в размере 50 миллионов долларов, распределенное на следующие 3 года. Компоненты Stellarator были измерены с помощью 3D-лазерного сканирования и проверены для проектирования моделей на нескольких этапах производственного процесса. ^[8]

Требуемых допусков достичь не удалось; Во время сборки модулей выяснилось, что детали соприкасаются, провисают после установки, а другие неожиданные эффекты очень затрудняют выравнивание. ^{[ нужна ссылка ]} В проект были внесены исправления, но каждое из них еще больше задерживало завершение и требовало большего финансирования. ^{[ нужна ссылка ]} (Смета на 2008 год составила 170 миллионов долларов, завершение строительства запланировано на август 2013 года.) ^[1] В конце концов было введено условие «годен/не годен», и когда цель не была достигнута в рамках бюджета, проект был отменен. ^[1]

Наследие

Из-за его отмены в 2008 году проект был назван примером гипотетического демона бюрократического хаоса, который «блокирует хорошие вещи» в Министерстве энергетики США . ^[9] Его судьба напоминает другие проекты Министерства энергетики, такие как испытательный стенд зеркального синтеза , который был построен, но так и не использовался, и сверхпроводящий суперколлайдер , стоимость которого до его отмены составляла 2 миллиарда долларов.

См. также

Ссылки

^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д Будущее Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) , Заявление доктора Рэймонда Л. Орбаха, заместителя министра по науке и директора Управления науки Министерства энергетики США, 22 мая 2008 г.
^ Бюджетный отчет NCSX, декабрь 2007 г.
^ Jump up to: ^а ^б [ncsx.pppl.gov/Metrology/NCSXDimControl_EllisSOFE_070615.ppt Контроль размеров для национального эксперимента по компактному стелларатору. Эллис и др. июнь 2007 г.]
^ Jump up to: ^а ^б ^с ^д Прогресс в строительстве NCSX Reiersen et al. 2007 год
^ [ncsx.pppl.gov/NCSX_Engineering/Technical_Data/SDDs/PDR_SDDs/SDD_WBS4_C.doc Электроэнергетические системы (WBS 4). 2003]
^ Изготовление модульных катушек NCSX" , PPPL, Двадцать второй симпозиум по термоядерной технике, 2007 г.
^ «Проектирование и установка внешних контуров потока вакуумного сосуда NCSX , PPPL, Двадцать второй симпозиум по термоядерной технике, 2007 г.
^ Тематическое исследование. Архивировано 3 апреля 2010 г. в Wayback Machine Министерством энергетики США.
^ «Демон бюрократического хаоса» . Новая Атлантида . Проверено 5 июля 2021 г.

Внешние ссылки

Домашняя страница NCSX
- Прогресс в строительстве NCSX Рейерсен. 2007 год
- Обзор инженерного анализа и подтверждения проекта — П. Хайценредер. Октябрь 2008 г. анализируются силы и деформации конструкции и модульных катушек.
- Производство модульных катушек — Я. Хшановски. Октябрь 2008 г. Медь в жидком азоте.
- Обычные катушки — М. Калиш, октябрь 2008 г. Тороидальные, полоидальные и триммерные катушки.

[Orbach2008-1] Jump up to: ^а ^б ^с ^д Будущее Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) , Заявление доктора Рэймонда Л. Орбаха, заместителя министра по науке и директора Управления науки Министерства энергетики США, 22 мая 2008 г.

[2] Бюджетный отчет NCSX, декабрь 2007 г.

[Ellis2007-3] Jump up to: ^а ^б [ncsx.pppl.gov/Metrology/NCSXDimControl_EllisSOFE_070615.ppt Контроль размеров для национального эксперимента по компактному стелларатору. Эллис и др. июнь 2007 г.]

[Reiersen2007-4] Jump up to: ^а ^б ^с ^д Прогресс в строительстве NCSX Reiersen et al. 2007 год

[Elec-5] [ncsx.pppl.gov/NCSX_Engineering/Technical_Data/SDDs/PDR_SDDs/SDD_WBS4_C.doc Электроэнергетические системы (WBS 4). 2003]

[6] Изготовление модульных катушек NCSX" , PPPL, Двадцать второй симпозиум по термоядерной технике, 2007 г.

[7] «Проектирование и установка внешних контуров потока вакуумного сосуда NCSX , PPPL, Двадцать второй симпозиум по термоядерной технике, 2007 г.

[8] Тематическое исследование. Архивировано 3 апреля 2010 г. в Wayback Machine Министерством энергетики США.

[9] «Демон бюрократического хаоса» . Новая Атлантида . Проверено 5 июля 2021 г.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]