Алькатор C-Mod

Алькатор C-Mod
	Эксперимент с токамаком Alcator C-Mod в Центре науки о плазме и термоядерном синтезе Массачусетского технологического института. Обзор, показывающий само устройство (под бетонной защитой) и диагностику в окружающем отсеке.
Тип устройства	Токамак
Расположение	Кембридж , Массачусетс , США
Принадлежность	Центр плазменной науки и термоядерного синтеза Массачусетского технологического института
Технические характеристики
Большой радиус	0,68 м (2 фута 3 дюйма)
Малый радиус	0,22 м (8,7 дюйма)
Объем плазмы	1 м 3
Магнитное поле	3–8 Тл (30 000–80 000 Гс) (тороидальный)
Плазменный ток	0,4–2,0 МА (типичное)
История
Год(ы) работы	1991–2016
Предшественник	Алькатор С

Alcator C-Mod представлял собой токамак (тип термоядерного устройства с магнитным удержанием ), который работал в период с 1991 по 2016 год в (PSFC) Массачусетского технологического института (MIT) Центре науки о плазме и термоядерном синтезе . Alcator C-Mod, известный своим сильным тороидальным магнитным полем (до 8 Тесла ), является мировым рекордсменом по усреднённому по объёму давлению плазмы в термоядерном устройстве с магнитным удержанием. ^{[ 1 ]} До закрытия в 2016 году он был одним из крупнейших исследовательских центров термоядерного синтеза в США.

Alcator C-Mod был третьим из серии токамаков Alcator ( , High Field Torus ) Al to Campo Toro после Alcator A (1973–1979) и Alcator C (1978–1987). Это был крупнейший термоядерный реактор, эксплуатируемый любым университетом, и он был неотъемлемой частью более крупного Центра науки о плазме и термоядерном синтезе.

История

Алькатор А

В конце 1960-х годов исследования термоядерного синтеза с магнитным удержанием в Массачусетском технологическом институте проводились в рамках небольших «настольных» экспериментов в Исследовательской лаборатории электроники и Магнитной лаборатории Фрэнсиса Биттера . В это время в Советском Союзе разрабатывался токамак (хотя в США он был неизвестен), а в Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) разрабатывался стелларатор .

Бруно Коппи работал в Институте перспективных исследований в Принстоне, штат Нью-Джерси, и интересовался основной проблемой физики плазмы: удельным сопротивлением плазмы при высоких значениях параметра течения , а также поведением магнитно-удерживаемой плазмы при очень высоких напряженностях поля ( ≥ 10 Тл). В 1968 году Коппи присутствовал на третьей Международной конференции МАГАТЭ по физике плазмы и исследованиям управляемого ядерного синтеза в Новосибирске . На этой конференции советские учёные заявили, что в токамаке ( Т-3 ) им удалось достичь температуры электронов более 1000 эВ.

В том же году Коппи был назначен профессором физического факультета Массачусетского технологического института . Он сразу же начал сотрудничать с инженерами Магнитной лаборатории Фрэнсиса Биттера под руководством Брюса Монтгомери для разработки компактного (большой радиус 0,54 м) токамака с высоким полем (10 Тл на оси), который он назвал «Алькатор» . Название является от Al Campo Toro , аббревиатурой что итальянского означает «тор сильного поля». С более поздним созданием Alcator C, а затем Alcator C-Mod, первоначальный Alcator был задним числом переименован в Alcator A.

Алькатор был одобрен Комиссией по атомной энергии (AEC) в 1970 году и впервые был запущен в эксплуатацию в 1972 году. Проблемы с производительностью (низкий вакуум и искрение в магнитах тороидального поля) привели к перестройке машины в 1973–1974 годах с использованием новой вакуумной камеры. постоянного тока мощностью 32 МВт лаборатории Биттера , научные результаты которого начались в 1974 году. Алькатор А был оснащен двигателями-генераторами и был первым В токамаке в мире используется трансформатор с воздушным сердечником для возбуждения омического тока и нагрева.

Алькатор Б и С

Успех Alcator A привел к концептуальному проектированию, начиная с 1975 года, более крупной машины под названием Alcator B. Однако мотор-генераторы, использованные для Alcator A, не были достаточно мощными, чтобы приводить в движение новую машину, что потребовало покупки и установки новых источники питания - расходы, которые Управление энергетических исследований и разработок (ERDA) не желало финансировать. Однако ERDA с энтузиазмом относилась к созданию еще одного Alcator, и решение было найдено: генератор переменного тока мощностью 225 МВА был подарком MIT компанией Con Ed с завода на Ист-Ривер в Нью-Йорке. Концептуальный проект был изменен с учетом другого источника питания, и проект был переименован в Alcator C.

Alcator C был официально авторизован в 1976 году. В том же году Центр плазменного синтеза (ныне Центр науки о плазме и термоядерном синтезе) был выделен из Магнитной лаборатории Фрэнсиса Биттера. Строительство Alcator C шло быстрыми темпами, и в конце 1977 года были проведены первые испытания. Генератор переменного тока прибыл из Кон-Эда в начале 1978 года (его транспортировка была затруднена из-за метели 1978 года ) и был включен в систему летом 1978 года. операции начались в сентябре того же года.

Алькатор C был более крупной машиной ( R ₀ = 0,64 м) и работал в более высоком поле ( B ₀ ≤ 13 Тл), чем Алькатор А. С добавлением 4 МВт более низкого гибридного нагрева в 1982 году были достигнуты температуры электронов более 3,0 кэВ. . Хотя Alcator C изначально не имел ожидаемого времени удержания энергии из-за возникновения турбулентности градиента ионной температуры при высоких значениях $\eta ={\text{d}}\ln T/{\text{d}}\ln n$ , заправка пеллетами использовалась для получения профилей пиковой плотности и значений произведения n τ более 0,8 × 10 ²⁰ с·м ⁻³ были достигнуты в 1983 году.

Нефинансируемые идеи и предложение C-Mod

Некоторые идеи новых устройств и обновлений PSFC так и не получили финансирования. С 1978 по 1980 год велась работа по проектированию Alcator D, более крупной версии Alcator C, которая позволяла бы обеспечить большую тепловую мощность и, возможно, даже работать в дейтерий-тритиевом (D-T) режиме. Эта конструкция никогда официально не предлагалась Министерству энергетики (DOE), но продолжала развиваться под руководством Коппи, в конечном итоге став итало-российским устройством ЗАЖИГАТЕЛЬ , которое планировалось построить в ТРИНИТИ под Троицком , Россия.

В 1982 году было задумано еще одно, более амбициозное устройство под названием Alcator DCT. Эта машина будет иметь сверхпроводящие катушки, производящие 7 Тл на оси. Гибридный привод мощностью 4 МВт будет обеспечивать равновесную плазму с током плазмы 1,4 МА. Поскольку эта конструкция была похожа на французскую Tore Supra был проведен совместный французско-американский семинар , в 1983 году в Кадараше для сравнения двух конструкций и обмена идеями. Alcator DCT был официально предложен Министерству энергетики в конце 1983 года, но не получил финансирования.

В то время бюджет на исследования в области энергетики магнитного синтеза в Соединенных Штатах увеличивался по сравнению с прошлым годом, достигнув пика в 468,4 миллиона долларов в 1984 финансовом году. В том же году PSFC был уведомлен о том, что на какое-то время бюджеты будут сокращаться. Политика Министерства энергетики будет заключаться в финансировании только обновлений существующих устройств, а не новых машин. Таким образом, были начаты проектные работы над машиной с медной катушкой, которая могла бы повторно использовать некоторые источники питания от Alcator C, что позволило команде представить ее как «модификацию» Alcator C. Концептуальный проект был завершен, и Alcator C-Mod был выпущен. официально предложен Министерству энергетики в конце 1985 года. Проект был одобрен, и строительство было разрешено в 1986 году.

Характеристики

Нагрев и ток привода

Alcator C-Mod использует ионно-циклотронный радиочастотный нагрев (ICRF) в качестве основного вспомогательного источника нагрева. Частота источника составляет 80 МГц, а стандартные сценарии нагрева меньшинства: D(H) для 4,4–6,9 Тл и D(3He) для работы в сильном поле (7,3–8,0 Тл). ^{[ 2 ]} Указан миноритарный вид (водород или He3), а в сценариях ICRH используется двухкомпонентная плазма.

Эффективность поглощения варьируется в зависимости от концентрации меньшинства. Также возможен переход между нагревом меньшинства и режимом конверсии (MC), изменяя концентрацию частиц меньшинства. Относительная фракция H $\eta _{H}=n_{H}/(n_{H}+n_{D})$ можно сканировать примерно на 2–30% с помощью вдувания газа и измерять с помощью пассивной перезарядки. ^{[ 2 ]} Относительная доля He3 $\eta _{He3}=n_{He3}/n_{e}$ Концентрацию также можно отсканировать примерно в пределах 2–30% с помощью вдувания газа. Фазово-контрастную визуализацию (PCI) можно использовать для измерения преобразованных мод волн непосредственно в плазме.

Меньшинство отопления

Особое отопление — наиболее распространенный сценарий, используемый в C-Mod. Система нагрева ICRF работает на частоте 80 МГц в плазме D(H). Эта частота соответствует осевому фундаментальному циклотронному резонансу несовершеннолетних протонов при 5,3 Тл и поглощению быстрых волн несовершеннолетними частицами водорода в дейтериевой плазме. Это может быть очень эффективно (типичное поглощение за один проход в C-Mod составляет 80–90% для концентраций меньшинств 5–10%). ^{[ 3 ]} Нагрев меньшинств на частоте 80 МГц и 7,9 Тл в плазме с большинством дейтерия достигается с помощью резонанса меньшинства He3 (на оси), но однопроходное поглощение с меньшинствами ионов He3 в дейтерии имеет тенденцию быть намного ниже, чем для протонов. ^{[ 3 ]} (например, сценарий нагрева меньшинства при 5,3–5,4 Т).

Режим преобразования отопления

Для нагрева электронов можно использовать модовое преобразование быстрой магнитозвуковой волны в ионную циклотронную волну и ионную волну Бернштейна в ионно-циклотронном диапазоне частот (ICRF). Нагрев с преобразованием моды осуществляется в C-Mod с использованием ICRF в плазме D (3He). ^{[ 2 ]}

Нижний гибридный привод тока

Нижний гибридный ток (LHCD) (на основе нижних гибридных колебаний ) используется для дополнения тока, генерируемого омическим трансформатором . Система LHCD способна выдавать микроволновую мощность мощностью более 1,0 МВт (планируется модернизация до 2 МВт и более с добавлением второй антенны в 2013 г.). ^{[ нужно обновить ]}) в плазму на частоте 4,6 ГГц. Питание обеспечивается клистронными СВЧ-усилителями мощностью 250 кВт производства CPI, Inc. Был достигнут безиндуктивный режим работы с импульсами длительностью до 0,5 с при токе 500 кА. Низкие гибридные волны запускаются преимущественно в направлении, противоположном току плазмы (т.е. в направлении движения электронов), и передают энергию электронам, движущимся со скоростью, примерно в три раза превышающей тепловую скорость, за счет затухания Ландау . Основная область исследований LHCD связана с движением тока при высоких плотностях (n _e > 10 ²⁰ м ⁻³) требуется для термоядерной электростанции.

Панорама внешней стены токамака, сшитая из 273 фотографий. Слева можно увидеть вращающуюся ионно-циклотронную частотную антенну с четырьмя медными антенными полосками. Нижняя гибридная пусковая установка с сеткой из небольших прямоугольных волноводов видна посередине, а невращающиеся частотные антенны ионно-циклотрона расположены справа с четырьмя медными ремнями. Вход для нейтрального луча — это большое круглое отверстие справа.

2013–2016: Заключительные операции и остановка.

Alcator C-Mod планировалось закрыть в октябре 2013 года. Однако в сводном законопроекте Конгресса о расходах Конгресса на 2014 год четко указано проведение эксперимента, на которое будет выделено 22 миллиона долларов. Экспериментальная эксплуатация была возобновлена в феврале 2014 года.

Финансирование было снова продлено на 2015 финансовый год, хотя в сводном законопроекте, предусматривающем финансирование, прямо указывалось, что после 2016 финансового года финансирование предоставляться не будет. ^{[ 4 ]}^{[ 5 ]}

В 2016 году Alcator C-Mod установил мировой рекорд по давлению плазмы в термоядерном устройстве с магнитным удержанием, достигнув 2,05 атмосферы, что на 15 процентов превышает предыдущий рекорд в 1,77 атмосферы (также принадлежавший Alcator C-Mod). Эта рекордная плазма имела температуру 35 миллионов градусов Цельсия, просуществовала 2 секунды и произвела 600 триллионов реакций синтеза. ^{[ 6 ]} В ходе запуска использовалось тороидальное магнитное поле напряженностью 5,7 Тл. Этого рубежа он достиг в последний день своей работы. ^{[ 7 ]}

После завершения работ в конце сентября 2016 года установка была переведена в безопасную остановку, дополнительные эксперименты на данный момент не планируются. За более чем 20 лет работы заархивировано множество данных, а экспериментальные и теоретические группы продолжают анализировать результаты и публиковать их в научной литературе. ^{[ 8 ]}

Рекорд давления плазмы Alcator C-Mod в 2,05 атмосферы, вероятно, продержится еще какое-то время. Единственная строящаяся в настоящее время машина, которая, как ожидается, побьет этот рекорд, — это токамак ИТЭР во Франции. Ожидается, что ИТЭР не будет полностью введен в эксплуатацию до 2032 года, а это означает, что рекорд Alcator C-Mod продержится в течение 15 лет, если до этого времени не будет построено еще одно новое устройство. ^{[ 1 ]}

Ссылки

Источники

«Хроники Алькатора, или: Что случилось с Алькатором Б?» Р. Паркер, презентация на IAP 2011. Доступно онлайн в библиотеке MIT PSFC.
Боноли и др. Физ. Плазма, Том. 7, № 5, май 2000 г.

Сноски

^ Перейти обратно: ^а ^б «Новый рекорд фьюжн» . Центр науки о плазме и термоядерном синтезе. 14 октября 2016 года . Проверено 5 марта 2018 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б ^с Вукич и др. ЭПС 1998 г.
^ Перейти обратно: ^а ^б Порколаб и др. п. 79, cP485, Мощность радиочастот в плазме, под редакцией С. Бемабеи и Ф. Паолетти (1999).
^ «Бюджет Fusion 2015: Сводный законопроект принят, бюджет Fusion живет, чтобы бороться еще один год» . Архивировано из оригинала 27 июня 2015 года . Проверено 10 мая 2023 г.
^ «Информация о бюджете на 2013 финансовый год и закрытии Alcator C-Mod» . Архивировано из оригинала 4 марта 2012 года.
^ АНДРЕЙ, МИХАЙ (17 октября 2016 г.). «Новый рекорд приближает нас к термоядерной энергии» . ЗМЭ Наука . Проверено 18 октября 2016 г.
^ Франко, Майкл (14 октября 2016 г.). «Под давлением: установлен новый мировой рекорд на пути к ядерному синтезу» . newatlas.com . Проверено 18 октября 2016 г.
^ «Алькатор С Мод Токамак» . psfc.mit.edu . Проверено 10 мая 2023 г.

Внешние ссылки

Официальный сайт

[:0-1] Перейти обратно: ^а ^б «Новый рекорд фьюжн» . Центр науки о плазме и термоядерном синтезе. 14 октября 2016 года . Проверено 5 марта 2018 г.

[wuk-2] Перейти обратно: ^а ^б ^с Вукич и др. ЭПС 1998 г.

[por-3] Перейти обратно: ^а ^б Порколаб и др. п. 79, cP485, Мощность радиочастот в плазме, под редакцией С. Бемабеи и Ф. Паолетти (1999).

[4] «Бюджет Fusion 2015: Сводный законопроект принят, бюджет Fusion живет, чтобы бороться еще один год» . Архивировано из оригинала 27 июня 2015 года . Проверено 10 мая 2023 г.

[5] «Информация о бюджете на 2013 финансовый год и закрытии Alcator C-Mod» . Архивировано из оригинала 4 марта 2012 года.

[6] АНДРЕЙ, МИХАЙ (17 октября 2016 г.). «Новый рекорд приближает нас к термоядерной энергии» . ЗМЭ Наука . Проверено 18 октября 2016 г.

[7] Франко, Майкл (14 октября 2016 г.). «Под давлением: установлен новый мировой рекорд на пути к ядерному синтезу» . newatlas.com . Проверено 18 октября 2016 г.

[8] «Алькатор С Мод Токамак» . psfc.mit.edu . Проверено 10 мая 2023 г.

[ 1 ]

[ 2 ]

[ 3 ]

[ 4 ]

[ 5 ]

[ 6 ]

[ 7 ]

[ 8 ]